Mikrobiella ekologiska processer i MBBR biofilmer för

Av: Bengt Andersson

Vid biologisk fosforavskiljning (EBPR) kan avskild fosfor återvinnas och utnyttjas på ett bättre sätt än fosforn avskild vid kemisk fällning. Processen för biologisk fosforavskiljning erfordrar att mikroorganismerna passerar både aeroba och anaeroba zoner eftersom fosforackumulerande bakterier (PAO) ackumulerar fosfor under aeroba förhållanden och släpper fosfor vid anaeroba förhållanden. En konventionell aktivtslamprocess för EBPR uppvisar ofta begränsningar vad gäller stabilitet och effektivitet.

MBBR (moving bed biofilm reactor) är en biologisk process, som bygger på fastfilm med en liten bassängvolym, och den är kostnadseffektiv och ger en stabil fosforavskiljning. Vid reningsverket i Hammar (HIAS) i Norge har en ny MBBR process för EBPR utvecklats, som bygger på transport av bärare mellan den aeroba (vid utloppet) och den anaeroba zonen (vid inloppet) med hjälp av ett transportband. Processen har uppvisat bättre verkningsgrad jämfört med andra EBBR-processer baserade på aktivt slam. Sammansättningen av biota i processen är emellertid inte klarlagd och utan denna kunskap kan processen inte utnyttjas fullt ut.   

Syftet med refererad studie var att beskriva variationerna i sammansättningen av mikrobiota under ett helt år vad gäller eukaryoter och prokaryoter samt att relatera variationerna av mängd och sammansättning till belastning, till avskiljning av fosfor och organiskt kol och till temperaturen.

Genomförande

Försöken utfördes i MBBR-anläggningen vid HIAS, där avloppsvattnet leds genom anaeroba zoner med 60 % av biofilmpåväxten och därefter genom aeroba zoner innan avloppsvattnet leds till sedimenteringsbassängerna. Bärarmaterialet med biofilmen leds tillbaka från den aeroba zonen i utloppet till den anaeroba zonen i inloppet med hjälp av ett transportband. 

Studien pågick i omkring ett år och provtagning och analys av inkommande och utgående avloppsvatten gjordes regelbundet. Bärarmaterial från utloppet av den aeroba zonen togs ut en gång per vecka för analys och påväxten på bärarmaterialet analyserades genom DNA-sekventiering av 16SrDNA och 18SrDNA gener (prokaryoter resp. eukaryoter). Alfa- och betadiversiteten bestämdes, där alfadiversiteten är ett mått på artrikedomen dvs. hur många arter som förekommer, och betadiversiteten är ett mått på variationen i artsammansättningen mellan olika prov. Grundläggande statistisk analys kompletterades med multivariat och ekologisk analys.

Resultat

Fosforavskiljningen i HIAS-processen var stabil under hela perioden och den genomsnittliga avskiljningen uppgick till 94 %. Motsvarande avskiljning av löst COD uppgick i genomsnitt till 66 %. Inga samband fanns mellan belastning och avskiljning av fosfor eller COD. Däremot fanns ett klart samband mellan avloppsvattentemperaturen och avskiljningsgraden med en lägre avskiljning vid en längre temperatur.

Analysen av mikrobiota visade att prokaryoterna i huvudsak utgjordes av Proteobacteria med den fosforackumulerande Candidatus Accumulibacter som den mest dominanta och vars förekomst ökade under hela försöksperioden. För eukaryoterna dominerade ciliaten Telotrochidum inledningsvis. Förändringarna över tiden var mycket större för eukaryoterna än för prokaryoterna och efter halva försöksperioden utvecklades en markant dominans av Rhogostoma, en amöba som ingår i ett strukturaktivitetsrelaterat kluster (SAR). 

Kvantiteten av både prokaryoter och eukaryoter ökade under hela försöksperioden med ett språng för prokaryoter, som sammanföll med ökningen av Rhogostoma. Både PAO och GAO (glykogenackumulerande organismer) ökade med ett bibehållet konstant förhållande mellan grupperna. En jämförelse av avskiljningsgrad och funktionell karakteristik av prokaryoter visade att temperaturen var central och den påverkade både avskiljningsgrad och sammansättningen av mikrobiota. Alfadiversiteten var positivt korrelerad medan betadiversiteten var negativt korrelerad.

Kunskaperna om mikrobiota i en MBPR kommer i huvudsak från aktivtslamprocessen, där sammansättningen i hög grad bestäms av samdiversifieringsprocesser. I en biofilmsprocess finns emellertid mer av samma bakterier (minskad betadiversitet) med en ökad biofilmdiversitet (ökad alfadiversitet). Det positiva sambandet mellan GAO och POA och mellan temperaturen och avskiljningsgrad för en MBBR-process avvek från vad som förväntades för en aktivtslamprocess. GAO anses ha en fördel över PAO vid högre temperatur på grund av högre tillväxthastighet men eftersom tillväxthastigheten i en biofilm är inneboende låg hade GAO inga fördelar. Erfarenheterna från EBPR i en aktivtslamprocess kunde således inte överföras till en MBBR

Avsaknaden av ett samband mellan förekomsten av PAO och fosforavskiljningen var den samma för aktivtslam och MBBR beroende på att fosforupptagningspotentialen klart översteg de aktuella fosfornivåerna. Överskottet av PAO i en fullt utvecklad biofilm kunde förklara uppnådd stabil fosforavskiljning trots fluktuerande fosforhalter i avloppsvattnet. 

I studier av mikrobiota tas normalt inte hänsyn till eukaryoter. I genomförd studie visades att det fanns en förändring i sammansättningen av eukaryoter beroende på en ökad bakterieförekomst men inte beroende på sammansättning eller funktion. En teori att eukaryoter skulle kunna vara en diversifieringsfaktor för sammansättningen av prokaryoter under aeroba förhållanden kunde dock inte bekräftas genom studien. 

Slutsatser

För att öka förståelsen för EBPR vid HIAS gjordes en studie av mikrobiota som visade 

Källa K. Rudi, I. A. Goa, T. Saltnes, G. Sörensen, I. L. Angell, S. Eikås. Microbial ecological processes in MBBR biofilms for biological phosphorus removal from wastewater. Water Science & Technology, 79.8, 2019, pp 1467 – 1473.

Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.