Vatten med högt ammoniuminnehåll har behandlats i belysta försökskolonner där alg-bakteriekulturer har verkat. 95%-ig kvävereduktion har uppnåtts; intressant för bl a rejektvatten från rötkammare. Fokus har varit anammoxvägen för ammoniumoxidation.
Av: Jörgen Hanaeus
En alg-bakteriekultur har testats för att utföra kväverening och även reduktion av haltenorganisktmaterial i rejektvatten från rötkammare. Belysning har utförts i perioder om 12 timmar med lika lång vila/mörker. Algerna tillför syre för nitrifikation medan denitrifikation inträffar under de mörka perioderna då miljön är anoxisk.
Två cylindriska fotoreaktorer belastades med ett ammoniumrikt avloppsvatten; 264 mg NH4+-N/L och tillfördes i ljusperioden intensiteten 84µmol/m2,s. Hög kvävereduktion, 95 % uppmättes, liksom god sedimenteringsförmåga hos bioslammet med slamvolymindex 53-58 mL/g i båda reaktorerna.
För att kunna beskriva förloppen användes modellen Aktiv slam 3(ASM 3) som modifierats att inkludera algprocesser. Modellberäkningarna svarade väl mot uppmätta resultat. Metoden kan skapa biomassa av rejektvatten från rötkammare; biomassa som kan återföras till rötkammaren och öka gasutbytet.
Bakgrund
Anaerob behandling, rötning, av avlopp och avfall från samhälle, jordbruk och industri stabiliserar organiskt material och producerar biogas för energiändamål. Dock håller rejektvatten från rötkammare höga ammoniumhalter som kan orsaka eutrofiering i recipienter. Den vanligaste kvävereduktionen sker genom nitrifikation-denitrifikation, men den kortslutande anammoxprocessen; nitrition-denitrition, är under utveckling och spar energi och kolkälla.
Oxidationskostnader för nitrifikation kan minskas ytterligare genom att nyttja fotosyntes av alger för syreproduktion.
För algbildning via fotosyntes krävs att ljus når det ammoniumrika vattnet. Ljustillgången påverkas främst av lösta organiska ämnen och suspenderat material i aktuell vattenvolym. Slamåldern (SRT) är viktig och en SRT om 15 d har visats ge en komplett nitrifikation med ett konsortium av alger och nitrifierande bakterier i en fotosekvenserande satsreaktor.
För modellering av samverkan alger-bakterier i aktivslamsystem är modellvalet knepigt. En påbyggd Activated Sludge Model 3(ASM 3) ansågs mest gångbar. Nackdelen med nuvarande version är att nitrifikation och denitrifikation representeras som enstegsprocesser.
Anläggning
Två fotosekvenserande bioreaktor (SBR) om 2L (bänkskala), φ = 16 cm, H = 10 cm inokulerades med en blandkultur av nitrifierande och heterotrofa bakterier från en aktivslamanläggning och en algkultur dominerad av Chlorella. Reaktorerna belastades med rejekt från en mesofil rötkammare i pilotskala, där svingödsel processats, som blandades med urea och lokalt grundvatten. Rejektet filtrerades och späddes före tillsats, vilket gav en medelkoncentration av NH4+-N om 264 mg/L.
Anläggningen drevs i 24-timmarscykler med 12 h belysning och 12 h mörker. Experimentet genomfördes i två faser med fyra dagars anpassningstid, utan tillförsel, emellan:
1) ingen tillsats av extern kolkälla
2) natriumacetat tillsattes vid start av mörkerperioderna för att stimulera denitrifikationen (2,2 g COD/g NO2– -N).
Ingen extra CO2 tillsattes.
Den hydrauliska uppehållstiden var 4 dygn. Slamåldern, SRT, var 7 dygn i reaktor 1 och 11 dygn i reaktor 2 och kontrollerades genom avtappning av 250 mL/d i reaktor 1 och 150 mL/d i reaktor 2.
Reaktorerna belystes av 8 vita fluorescerande ljuskällor om 20 W horisontellt fördelade på två sidor om resp. reaktor vilket gav en ytlig ljusintensitet av 84 µmol/m2,s. En modifierad Beer-Lamberts lag (inkl suspenderade ämnen) användes för att skatta ljusminskningen in i reaktorn. Ljusintensiteten mättes i 9 punkter längs reaktorradien; varje cm från periferi till centrum alltså. Mätproceduren upprepades sju gånger med olika koncentration av slam och inkommande vatten.
Modellberäkning med ASM 3 utfördes, där nitrifikationen delades upp i två steg med NH4+ och NO2– som substrat för respektive AOB och NOB. Även denitrifikationen delades i två steg med NO3–och NO2– som substrat för heterotrofa bakterier.
Två algprocesser: tillväxt (exponentiell) och endogen respiration inarbetades i modellen.
Resultat
Ett alg-bakterie konsortium tillväxte framgångsrikt under en 50-dygnsperiod. Den biomassa som bildades sedimenterade väl med ett SVI av 53 mL/g för reaktor 1 och 58 mL/g för reaktor 2. En stabil nitri-denitrition uppmättes med en mer än 90%-ig totalkvävereduktion.
Utgående NH4+-N och NO2–-N-koncentrationer var avsevärt högre i fas 1 (83 resp 97 mg/L) än i fas 2 (1 resp 24 mg/L) för båda reaktorerna. Brist på kolkälla hindrade troligen denitrifikationen i fas 1.
I den modifierade Beer-Lamberts lag uppmättes ljuskoefficienten k till 0,075 m2/g TSS.
Den genomsnittliga biomassetillväxten under experimentet var 187 mg/L i reaktor 1 och 156 mg/L i reaktor 2.
Om slamåldern, SRT, är för låg i ett alg-bakteriesystem spolas de långsamväxande AOB ur reaktorn. Optimal SRT är strax ovanför minimum för nitrifierarna och inte högre, då det ger onödig växt med tillhörande ljusbegränsning.
Modelleringen visade god överensstämmelse med mätvärden för kväveparametrarna och för halten löst syre. Däremot var NH4+-avgången under den mörka perioden större än prognosticerad. Minskningen av NO2– var något snabbare än modellerad; möjligen växte denitrifierarna snabbare än förväntat, beroende på egeninnehållet av COD.
Alg-bakteriekonsortiet bestod viktsmässigt av 67 % alger, 16 % heterotrofer och 17 % nitrifierare.
Slutsatser
Med en blandkultur av alger och bakterier kunde 95 % kvävereduktion uppnås i en ljusväxlande (12+12h) SBR. En slamålder (SRT) av 11 dygn ökade halten suspenderade ämnen, varvid ljusinstrålningen hindrades och syrsättningen via algproduktion sjönk.
Slamåldern 7 dygn gav gynnsammare resultat.
Den etablerade modellen gav god överensstämmelse med uppmätta värden; dock bör respirationens inflytande på NH4+-koncentrationen utredas mer.
Ambitionen att använda det algproducerade syret är intressant även för svenska förhållanden.
Källa: Arashiro, L.T.1,2), Rada-Ariza, A.M.1), Wang, M.2), van der Steen, P.1) & Ergas, S.J. 2) (2017): Modelling shortcut nitrogen removal from wastewater using an algal-bacterial consortium. Water Science & Technology, 75.4, pp 782-792.
Författarna från:
1) Department of Environmental Engineering and Water Technology, UNESCO-IHE Institute for Water Education , P.O.Box 3015, Delft 2601 DA, The Netherlands.
2) Department of Civil and Environmental Engineering, University of South Florida, 4202 E. Fowler Ave, ENB 118, Tampa, FL 33620, USA
Kontakt: p.vandersteen@unesco-ihe.org
