Nitrifikation i MBBR vid låg temperatur: analys av mikro

Refererad studie belyser nitrifikation i en MBBR vid olika belastningar dels vid en förändring av temperaturen från 20 till 1oC dels vid stabila förhållanden under lång tid vid 1 °C. Studien indikerade att MBBR är en passande process för nitrifikation vid låga temperaturer.

Av: Bengt Andersson

Biofilmsteknik har visat sig vara fördelaktig vid nitrifikation vid temperaturer under 8 ^oC och det finns exempel där MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) har använts vid temperaturer ner till 1 ^oC. Sambandet mellan nitrifikationskinetik och temperatur följer Arrhenius samband med en korrektionskoefficient (q) normalt mellan 1,086 och 1,109 i intervallet 10 – 28 ^oC.

Funktionella autotrofa bakterier vid nitrifikation beskrivs vanligen som ammonium- och nitritoxiderande bakterier (AOB och NOB). Vid normala temperaturer utgörs AOB främst av släktena Nitrosomonas och Nitrospira medan NOB främst utgörs av Nitrospira och Nitrobacter. Nya rön har visat att det symbiotiska förhållandet mellan olika släkten av AOB och NOB kan upprätthålla en stabil nitrifikation vid olika klimatförhållanden och driftbetingelser och att diversiteten är viktig eftersom andra bakteriegrupper som t.ex. heterotrofer har en viktig roll i en nitrifierande biofilmsprocess. Med modern mikrobiologisk analysteknik kan den relativa sammansättningen av AOB, NOB och perifera organismer i en biofilm bestämmas men det finns sparsamt med information för förhållandena vid låga temperaturer.

Syftet med refererad undersökning var att undersöka effekten av ammoniumbelastningen på avskiljningen vid 1 ^oC i en MBBR-process och att belysa påverkan på mikrobiologin vid låga temperaturer genom användning av modern teknik för mikrobiologisk analys.

Genomförande

Vid pilotförsök användes fyra reaktorer med AnoxKaldnes K5 (800 m²/m³) ordnade i två linjer med två reaktorer i serie i varje linje. Utgående avloppsvatten från en anläggning i Kanada med flerstegslaguner pumpades till pilotanläggningen. Bärarna togs från en IFAS-anläggning med partiell nitrifikation. Efter en acklimatisering under fyra månader vid 20 ^oC uppnåddes stationära förhållanden med en belastning av 2,36 g N/m²*d och en hydraulisk uppehållstid av 1,5 timmar. Efter nio månader sänktes temperaturen stegvis från 20 till 1 ^oC och uppehållstiden ökades till 2,2 timmar.

Ammoniumbelastningen i de fyra reaktorerna var 0.13, 0.51, 1.25 resp. 1.39 g N/m² och varje belastning drevs vid stationära förhållanden och 1 ^oC under minst 4 veckor. Normal belastning vid 20 ^oC är 1.0 g N/m², vilket innebar att två av reaktorerna var underbelastade och två överbelastade.

För bestämning av biofilmstjockleken användes VPSEM (variable pressure scanning electron microscopy), för bestämning av levande resp. döda mikroorganismer användes CLSM (confocal laser scanning microscopy) och för bestämning av mikrobiell sammansättning och diversitet användes nästa generations sekventiering.

Resultat

Den specifika ammoniumavskiljningen vid 20 ^oC (2,0 g N/m²*d med en utgående halt av knappt 4 mg N/l) användes som referens. Vid stegvis sänkt temperatur minskade avskiljningen. Ammoniumhalten ut från reaktorerna belastade med 0,13 resp. 0,51 g N/m²*d minskade till mellan 2 och 6 mg N/l vid 1 ^oC medan halten var mellan 10 och 15 mg N/l med en belastning av 1,25 g N/m²*d. Den specifika avskiljningshastigheten var emellertid densamma vid belastningen 0,51 och 1,25 g N/m²*d beroende på en nollte ordningens kinetik med en maximal hastighet av 0,35 g N/m²*d. Nitrifikationshastigheten vid stationära förhållanden vid 1 ^oC var 22,8 % av den maximala hastigheten vid 20 ^oC i genomsnitt, vilket kunde modelleras genom Arrheniuskorrektion med koefficienten 1,086.

Reaktorerna med en belastning av 0,51 och 1,25 g N/m²*d acklimatiserades till den låga temperaturen medan den högst belastade reaktorn (1,39 g N/m²*d) uppvisade en svagt avtagande avskiljning i tiden med en maximal hastighet av 0,22 g N/m²*d. AOB i biofilmen hämmades på grund av halten fritt ammonium och dessutom visades genom metagenomik att mikrobiologin befann sig i ett stresstillstånd. Hastigheten uppgick i genomsnitt till 12,2 % av den maximala hastigheten vid 20 ^oC, vilket gav en korrektionskoefficient för temperaturen av 1,117. 

Bestämningen av levande och döda celler visade att cellerna hade en statistiskt signifikant ökad livskraft vid 1 ^oC jämfört med 20 ^oC med 82,9 % levande celler vid alla belastningar över 0,5 g N/m²*d. Avskiljningshastigheten per levande cell vid 1 ^oC i förhållande till 20 ^oC uppgick till 6 % för AOB och 13 % för NOB. Förhållandena kompenserades något genom ökningen av antalet levande celler samt en tjockare biofilm vid den lägre temperaturen.

Biofilmen vid 20 ^oC innehöll ett större antal unika arter av bakterier än vid 1 ^oC med en större diversitet. Dock innehöll biofilmen vid 1 ^oC över 2000 arter, vilket ändå tyder på en god miljö för bakterier. Analys av förändringar i populationen visade klart att ett skifte ägde rum på grund av temperaturen. Olika artsammansättning fanns även i de olika belastade reaktorerna vid 1 ^oC men de vanligast förekommande arterna var lika i alla reaktorerna.

Även om populationen förändrades utgjordes de primära AOB av Nitrosomonas och de primära NOB av Nitrospira i samtliga reaktorer. Den relativa förekomsten av AOB i reaktorerna var den samma oavsett temperatur. Förekomsten av NOB var en faktor 1,3 – 2 högre med en signifikant minskning vid en ändring av temperaturen från 20 till 1 ^oC. All nitrit oxiderades dock till nitrat oavsett belastning, vilket visade att MBBR är en passande process vid en temperatur av 1 ^oC.

Slutsatser

Genomförd studie med nitrifikation i en MBBR vid 1 ^oC visade att

Källa: B. Young, R. Delatolla, K. Kennedy, E. Laflamme, A. Stintzi. Low temperature MBBR denitrification: Microbiome analysis. Water Research 111 (2017), pp 224 – 233.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.