MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) är en biofilmsprocess, som alltmer kommit till användning för rening av olika typer av avloppsvatten i hela världen. Det är en komplex process, där vikten av att utvärdera processen ur ett helhetsperspektiv för en ökad förståelse för bärarens och biofilmens olika roller är central. Det visar Maria Piculell i en avhandling vid Lunds Universitet.
Av: Bengt Andersson
I ett forskningsprojekt inom ramen för högskoleprogrammet VA-teknik Södra, institutionen för kemiteknik/VA-teknik vid Lunds Universitet, har bärarmaterialets roll i en MBBR-process utvärderats för att förbättra den samlade processen och för att utveckla nya MBBR applikationer. Marias avhandling presenterar arbetet som utförts inom projektet.
Utvecklingen av MBBR har främst fokuserat på att öka den specifika ytan på bärarna för att uppnå en bättre effektivitet. Emellertid är inte bara bärarnas specifika yta viktig utan bärarna påverkar även andra faktorer som omrörning och luftning och det finns ett dynamiskt samband mellan utformning av bärarna, drift av reaktorn och biofilmens karaktär vad gäller tjocklek och mikrobiologisk sammansättning. Nödvändigheten av att betrakta processen ur ett helhetsperspektiv för en ökad förståelse för bärarens och biofilmens olika roller är central för den fortsatta utvecklingen.
Avhandlingen fokuserar på tre kärnområden, där det första området är att skapa en bättre förståelse för bärarnas funktion i en MBBR-process, det andra att värdera möjligheterna att kontrollera processen baserat på biofilmens egenskaper och det tredje området är att utveckla och testa nya MBBR-konfigurationer, där ett koncept med kontroll av biofilmen tillämpas.
Utformningen av konventionella bärare är huvudsakligen baserad på att erhålla en stor specifik yta som möjligt och mindre på andra viktiga aspekter som biofilmens tjocklek och sammansättning samt rollen av lösgjord biomassa från biofilmen. En ny bärartyp benämnd Z-bäraren utvecklades därför inom ramen för projektet. Den nya bäraren utformades som en öppen sadelformad yta med ett rutnät på hela ytan, där höjden på rutnätet bestämmer den maximala biofilmtjockleken. Fem olika Z-bärare utvecklades för en biofilmtjocklek av 50, 200, 300, 400 och 500 mm.
Den nya bäraren testades i en MBBR för nitrifikation med olika filmtjocklekar. Vid nitrifikation konverteras ammonium till nitrat via nitrit av ammoniumoxiderande bakterier (AOB) resp. nitritoxiderande bakterier (NOB). Biofilmen är vanligtvis skiktad och AOB är generellt lokaliserade ytterst i biofilmen och NOB längre in i filmen. Olika biofilmtjocklek i en nitrifierande MBBR visade att aktiviteten av NOB begränsades i biofilmer tunnare än 300 mm. En trolig förklaring var att en hög aktivitet av AOB i den yttre delen av biofilmen begränsade tillgången till syre och plats för tillväxten av NOB.
Resultatet av en begränsning av aktiviteten av NOB i tunna biofilmer bidrog till skapandet av en ny MBBR-konfiguration för nitritation (oxidation av ammonium till nitrit) för Anammox i en huvudströmsapplikation. Genom att begränsa biofilmstjockleken till 200 mm och variera tillförelsen av avloppsvatten mellan huvudström och rejektvatten kunde en hög nitritproduktion upprätthållas i en huvudströmsprocess vid höga syrehalter under ett långtidsförsök (250 dygn). Då motsvarande schema tillämpades för en helt nitrifierande biofilm kunde aktiviteten av NOB även begränsas men en begränsning av aktiviteten av AOB erhölls även, vilket inte var önskvärt.
I ett annat försök utvärderades processfördelar med Z-bärare i relation till konventionella bärare, där biofilmen inte kunde kontrolleras. Försök med nitrifikation vid ökad C/N-kvot visade att Z-bäraren stod emot etableringen av påväxt av heterotrofer bättre än konventionella bärare även om nitrifikationen minskade för båda bärartyperna. Det visade sig även att en oönskad simultan denitrifikation i biofilmen inte erhölls för Z-bäraren. Z-bäraren var således att föredra vid nitrifikation i en MBBR på grund av en kontrollerad biofilmtjocklek, där ingen drastisk förändring av biofilmens sammansättning riskerades på grund av tillfälliga variationer av C/N-kvoten.
En annan fördel med biofilmkontroll upptäcktes vid en jämförelse av effekten av påväxt av oorganiskt material på Z-bäraren och på konventionella bärare. Såväl experiment som beräkningar indikerade att Z-bäraren var mindre känslig för oorganisk påväxt och att bärarna var mindre benägna att sjunka än de konventionella bärarna. En begränsning av biofilmens tjocklek verkade således ha en positiv effekt med en mindre utfällning i en tunnare än i en tjockare film.
Suspenderad biomassa finns alltid i en MBBR-process beroende på lösgjord biomassa från biofilmen. Förutom utvärderingen av bärarnas roll och biofilmens sammansättning visade försök inom projektet att suspenderad biomassa påtagligt kan bidra till avskiljningen i processen. Storleken av bidraget beror på substratkoncentration och hydraulisk uppehållstid, där en längre hydraulisk uppehållstid ger ett större bidrag. Avskiljningen i MBBR-processer kan ibland inte direkt relateras till fyllnadsgrad av bärarna beroende på att den hydrauliska uppehållstiden med större andel suspenderad biomassa även har en betydelse.
Avhandlingen visade att MBBR är ett komplext system, där biofilmskarakteristik, typ av bärare, hydraulisk uppehållstid, fyllnadsgrad, belastning och koncentrationen i vätskemassan alla spelar en betydande roll för resultatet. Flera intressanta områden har belysts i denna sammanfattning, där biofilmkontroll kan vara fördelaktig.
För en fortsatt utveckling av MBBR bör potentialen att använda tjockleken av biofilmen som en kontrollparameter undersökas mera särskilt för mera komplexa mikrobiologiska processer som nitritation-anammox och för processer för avskiljning av toxiska organiska spårämnen. Experimentella studier bör kompletteras med mikrobiella analyser som FISH och DNA- sekvensering och med matematisk modellering för simulering och förklaring av komplexiteten i processen.
Marias avhandling är pedagogisk och välskriven och genomförda studier och experiment utgör en bra grund för att utveckla MBBR vidare för nya applikationer och användningsområden.
Källa: M. Piculell. New dimensions of Moving Bed Biofilm Carriers: Influence of biofilm thickness and control possibilities. Avhandling vid Lunds Universitet i juni 2016.
