Fullskalestudier under 5,5 år av en huvudströmsprocess med partiell nitritation/anammox (PN/A) visade att en minskad halt löst syre i den aeroba zonen påverkade mikrobiologin och processprestanda med en minskning av PN/A.
Av: Bengt Andersson
I en huvudströmsprocess med partiell nitritation/anammox (PN/A) möjliggörs en frikoppling av avskiljningen av organiskt material och av kväve med en möjlighet till maximering av energiåtervinningen genom förbehandling av avloppsvattnet för avskiljning av mer organiskt material till rötning för generering av biogas. Idéer om en huvudströms PN/A-process väcktes i början av 1990-talet och genom satsning på FoU skapades kunskaper så att processen kunde utvecklas för implementering i fullskala i början av 2010-talet.
Changi water reclamation plant (WRP) är det största avloppsreningsverket i Singapore belastat med 800 000 m3/d och verket har utformats som en PN/A-process med biologisk fosforavskiljning (EBPR). Verket är utformat med 4 parallella linjer, där varje linje indelats i fem seriekopplade delar med 4 anoxzoner och en aerob zon i vardera delen. Varje del beskickades med ett förbehandlat avloppsvatten genom stegbeskickning, där allt returslam infördes i den första delen. Försök i en av linjerna har gjorts under fem och ett halvt år för att belysa effekten av löst syre i de aeroba zonerna på processens prestanda samt påverkan på mikrobiologin i reaktorn.
Genomförande
Försöken genomfördes under perioden januari 2011 till juli 2016. Två olika luftningsstrategier tillämpades under försöksperioden. Under den första perioden (fas 1) från januari 2011 till mars 2014 var den genomsnittliga syrehalten i de fem aeroba zonerna 1,7 mg/l. Under den andra perioden (fas 2) från mars 2014 till juli 2016 minskades luftningen genom införandet av en ammoniumbaserad styrning för energibesparing och den genomsnittliga syrehalten minskade till 1,0 mg/l. Alla övriga parametrar var ungefär de samma.
Provtagning skedde av inkommande och utgående avloppsvatten samt av slam i olika delar av bassängerna. Ex-situ aktivitetstest gjordes för AOB (ammoniumoxiderande bakterier) och NOB (nitritoxiderande bakterier). qPCR (quantitative polymerase chain reaction) och Fish (fluorescens in situ hybridization) utfördes dels för kvantifiering av AOB, NOB, PAO (fosforackumulerande bakterier) och AnAOB (anaeroba ammoniumoxiderande bakterier) dels för identifiering av populationerna.
Resultat
Avskiljningen av totalkväve och ammoniumkväve i PN/A-processen sett över hela perioden uppgick till 86 resp. 93 % med en genomsnittlig utgående halt av 5,7 mg total N/l resp. 2,4 mg NH4-N/l utan extern kolkälla. Lägre utgående halter av ammonium och nitrat och högre halter av nitrit uppnåddes under fas 1 och motsatt under fas 2. Den genomsnittliga halten av oorganiskt kväve (NH4, NO2 och NO3) ökade med 2,4 mg N/l vid den lägre syrehalt.
En in situ kväveprofil baserat på genomsnittet av sex mätningar under hela perioden visade att omkring 70 % av inkommande ammonium avskildes i de aeroba zonerna med ytterligare avskiljning i anox-zonerna genom anammoxaktiviteten. Ammoniumhalten i slutet av de aeroba zonerna uppgick i genomsnitt till 2,1 mg NH4-N/l och denna nivå innebar kinetiska fördelar för tillväxt av AOB i förhållande till NOB.
Nitrithalterna ökade något mer än nitrathalterna i de aeroba zonerna under hela perioden. Nitritackumuleringsförhållandet, NAR, uppmätt genom ex situ test uppgick till 79 % under fas 1 och 29 % under fas 2. Dämpningen av NOB under fas 1 försämrades signifikant under fas 2.
En beräkning av kvävebalansen visade att den autotrofa kväveavskiljningen under fas 1 utgjorde omkring 38 % av den totala avskiljningen, vilket sammanföll väl med det höga värdet 79 % på NAR. Under fas 2 beräknades den autotrofa kväveavskiljningen till omkring 25 % beroende på ett lägre värde på NAR (29 %) och en lägre hämning av NOB med en större andel heterotrof denitrifikation.
Nitrosomonas var dominerande AOB under hela perioden men populationen minskade med en faktor 30 under fas 2. Uppmätt NOB population dominerades av Nitrobacter under fas 1. Populationen var lika även under fas 2 men en betydande ökning av Nitrospira ägde rum under fas 2 och Nitrospira blev dominerande släkte. Den genomsnittliga AOB aktiviteten under fas 1 (6,7 mg NH4-N/m3*l) minskade endast med 13 % under fas 2. Den specifika NOB aktiviteten ökade emellertid nästan 7 gånger under fas 2. Förhållande mellan aktiviteten för AOB och NOB uppgick till 12,8 under fas 1, vilket indikerade en utmärkt NOB-dämpning medan förhållandet minskade till 1,6 under fas 2. Candidatus Brocardia sp. 40 var dominerande AnAOB och populationen minskade under fas 2 jämfört med fas 1.
Den ökade ammoniumhalten i utgående avloppsvatten under fas 2 berodde sannolikt på den minskade lufttillförseln och ökade kvävebelastningen medan ökningen av nitrathalten var en direkt följd av en lägre partiell nitritation orsakad av förändringen av AOB/NOB. En signifikant minskning av tillgången till nitrit för anammoxbakterierna resulterade i en minskad autotrof ammoniumavskiljning i de anoxiska zonerna under fas 2. Förändringen mellan AOB och NOB i fas 2 kunde helt hänföras till den lägre syrehalten.
Slutsatser
En minskning av halten löst syre i de aeroba zonerna i en stegbeskickad PN/A-process från 1,7 till 1,0 mg/l medförde att
- populationen av Nitrosomonas AOB minskade medan NOB populationen och specifika aktiviteten ökade med en förändring av dominerande NOB från Nitrobacter till Nitrospira
- förhållandet mellan specifika aktiviteten AOB/NOB minskade från 12,8 vid fas 1 till 1,6 vid fas 2 och NAR minskade från 79 till 29 %, vilket medförde en minskning av populationen av anammoxbakterier
- den autotrofa kväveavskiljningen var större än den heterotrofa under fas 1 medan den heterotrofa avskiljningen ökade under fas 2
- syrehalten påverkade tydligt processprestanda och mikrobiologisk sammansättning för en PN/A-process
Källa: Y. Cao, B.H. Kwok, M.C.M. van Loosdrecht, G. Daigger, H.Y. Png, W.Y. Long, O.K. Eng. The influence of dissolved oxygen on partial nitritation/anammox performance and microbial community of the 200,000 m3/d activated sludge process at the Changi water reclamation plant (2011 to 2016). Water Science & Technology 2018, 78.3, pp 634 – 643.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
