Heterotrof denitrifikation för reduktion av nitrat från avloppsvatten med låg halt av organiskt material kräver normalt tillsats en extern lättillgänglig kolkälla. Vid autotrof denitrifikation erfordras ingen kolkälla. Resultaten från test av en process med järnsulfid som elektrondonator vid autotrof denitrifikation i laboratorieskala för en samtidig kväve- och fosforavskiljning beskrivs.
Av: Bengt Andersson
Konventionell biologisk kväveavskiljning genom heterotrof denitrifikation och fosforavskiljning genom bio-P har visat sig vara ett passande och kostnadseffektivt sätt att avskilja kväve och fosfor från avloppsvatten. Avskiljningen är dock helt avhängig av närvaron av lättnedbrytbart organiskt material och i brist på detta erfordras tillsats av en extern kolkälla.
Biologisk kväveavskiljning kan även uppnås genom autotrof denitrifikation, där väte eller reducerade svavelföreningar kan tjäna som elektrondonator. Autotrof denitrifikation erfordrar inte tillsats av en extern kolkälla och slamproduktionen från processen är mycket liten.
Vid svavelbaserad autotrof denitrifikation kan bakterier som Thiobacillus denitrificans, som är allmänt förekommande i anoxiska marina ekosystem, reducera nitrat till fri kvävgas. Svavelföreningar i form av elementärt svavel eller järnsulfid (FeS) kan utnyttjas och användning av elementärt svavel har varit vanligast förekommande. FeS-baserad denitrifikation har emellertid visat sig ge högre avskiljningseffektivitet jämfört med elementärt svavel.
Vid FeS-baserad autotrof denitrifikation produceras alkali samt tvåvärt järn, som oxideras och fälls ut i vattenlösningen. Genom polymerisation av tvåvärd och trevärd järnhydroxid, som är identisk med det som händer vid kemisk fällning med järnsalter, avskiljs fosfor genom kemisk fällning. Autotrof FeS-baserad denitrifikation uppnår därför både biologisk kväveavskiljning och fosforavskiljning.
Syftet med studien var att undersöka vilka faktorer som påverkar kväve- och fosforavskiljningen vid FeS-baserad autotrof denitrifikation.
Genomförande av undersökningen
Anaerobt slam från en UASB i laboratorieskala ympades i en lösning med olika näringsämnen för att anrika autotrofa bakterier som utnyttjar svavel som elektrondonator. Inkubationen skedde vid 28 oC i fyra dygn. Proceduren upprepades fem gånger och därefter ströks prov ut på agarplattor som inkuberades anaerobt vid 28 oC. Isolerade kolonier återympades flera gånger i samma lösning som beskrivits ovan. De isolerade kolonierna förvarades vid 4 oC.
Två olika avloppsvatten testades, ett syntetiskt med ett speciellt närsaltinnehåll och med en nitrat- och fosforhalt av 55 resp. 78,6 mg/l samt ett utgående avloppsvatten från avloppsreningsverket i Soujingcun i Kina efter en konventionell aktivtslamprocess med en nitrat- och fosforkoncentration av 14,9 resp. 3,9 mg/l som N resp. P.
Avskiljningen av nitrat undersöktes i batchvisa försök vid olika temperatur, initiellt pH, initiell koncentration av nitrat och fosfat, innehåll av kol och innehåll av ammonium och magnesium. En parameter ändrades i taget i försöken. De sparade isolerade bakteriekolonierna aktiverades två gånger med näringslösningen. 30 g FeS och 2,5 ml av bakterieisolatet blandades med avloppsvattnet så att den totala volymen blev 50 ml. Allt syre togs bort genom CO2-inblåsning och de lufttäta provbehållarna placerades i ett termostaterat vattenbad vid 28 oC i två dygn. pH justerades till 7 utom i försöken att undersöka effekten av ursprungligt pH.
Då ett försök avslutats filtrerades proven och vattenfasen analyserades med avseende på nitrat, totalfosfor och pH.
Resultat
Effekten av olika faktorers inverkan på kväve- och fosforavskiljningen undersöktes med det syntetiska avloppsvattnet och med olika tillsats.
Det initiala pH-värdet varierades mellan 5 och 9. En process med FeS-baserad autotrof denitrifikation har en hög buffrande kapacitet och oavsett inkommande pH erhölls ett pH-värde av omkring 7 (6,5 – 7,2) vid försökets slut. Denitrifikationshastigheten varierade mellan 14 och 17,5 mg N/l*d med den högre hastigheten vid det lägre slutvärdet för pH (6,5). Optimalt pH-område för Thiobacillus denitrificans är 6,2 – 7.
FeS-baserad autotrof denitrifikation fungerade väl inom ett temperaturområde mellan 10 och 40 oC. Hastigheten var låg vid 5 oC (3,5 mg N/l*d) och den ökade till 17 mg N/l*d vid 10 oC. Ytterligare temperaturökning medförde en ökad hastighet med ett största värde av 21 mg N/l*d vid 28 oC.
Svavelautotrofa denitrifierande bakterier föredrar att utnyttja ammonium som kvävekälla före nitrat och de behöver dessutom näringsämnen som Mg2+ för tillväxten. Effekten av olika halt av ammonium och Mg2+ undersöktes och här framkom att denitrifikationen fungerade väl med en hastighet av mellan 11 och 12 mg N/l*d även om halterna av näringsämnena var noll. Genom tillsats av ammonium ökade hastigheten upp till 19 mg N/l*d vid en ammoniumkoncentration av 7,8 mg N/l. Ytterligare ökning av ammoniumhalten resulterade inte i någon ökning av hastigheten. Genom tillsats av Mg2+ ökade även hastigheten upp till cirka 18 mg N/l*d vid en Mg2+-halt av 0,28 mg/l och en ytterligare ökning resulterade inte i någon hastighetsökning.
Organiskt kol stimulerar tillväxten av heterotrofa denitrifierare och kan hämma aktiviteten för autotrofa denitrifierare. Nitratavskiljningen undersöktes vid olika tillsats av oorganiskt kol i form av bikarbonat respektive organiskt kol i form av glykos. En ökad halt av bikarbonat från 0 till 30 mg/l medförde att denitrifikationshastigheten ökade från 11 till 18,5 mg N/l*d. En ytterligare ökning av bikarbonathalten gav endast en svag ökning av hastigheten. En tillsats av glykos med halter upp till 1000 mg/l påverkade inte denitrifikationen.
Nitrat är elektronacceptor vid FeS-baserad autotrof denitrifikation. Effekten av inkommande nitrathalt på nitratavskiljningen undersöktes och avskiljningen var i det närmaste fullständig vid inkommande halter upp till cirka 280 mg/l. Vid högre inkommande nitrathalt minskade avskiljningen linjärt. Denitrifikationshastigheten ökade vid inkommande nitrathalter upp till cirka 420 mg/l. Vid en fortsatt ökning av inkommande halt var hastigheten konstant cirka 82 mg/l*d upp till en halt av 700 mg/l, vilket innebar att höga nitrathalter inte hämmade de autotrofa denitrifierarna.
Fosfor behövs för cellsyntesen och brist på fosfor hämmar denitrifikationen. Effekten av olika fosfatkoncentration undersöktes och nitratavskiljningen påverkades i tre steg då fosfathalten ökades. I det första steget då inkommande fosfathalt ökade från 0 till 0,11 mg/l ökade denitrifikationshastigheten från 13 till 20 mg N/l*d. I det andra steget ökades fosfathalten från 0,11 till 114 mg/l och då ökade hastigheten svagt upp till 20,5 mg N/l*d. En ytterligare ökning av fosfathalten upp till 690 mg/l medförde att denitrifikationshastigheten minskade från 20 till cirka 11 mg N/l*d. En ökning av inkommande fosfathalt från 0 till 680 mg/l medförde endast att fosfathalten vid försökens slut ökade från 0 till 10,9 mg/l och fosforavskiljningen uppgick till mellan 98 och 100 %.
Försöken avslutades med behandling av utgående avloppsvatten från ett avloppsreningsverk med en aktivtslamanläggning. Nitrathalten minskade linjärt med tiden och efter 16 timmar hade halten minskat från omkring 15 till 1,1 mg/l. Ingen nitrit kunde detekteras. Redan efter 4 timmar var fosforhalten under detektionsgränsen.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- En FeS-baserad autotrof denitrifikation fungerade väl både med ett syntetsikt och verkligt avloppsvatten med en hög nitrat- och fosforavskiljning.
- Processen fungerade väl inom ett pH-område mellan 5 och 9 och i ett temperaturområde mellan 10 och 40 oC.
- Tillsats av ammonium, Mg2+ och NaHCO3 ökade denitrifikationshastigheten och optimala halter var 7,8, 0,24 och 30 mg/l för respektive ämne.
- Denitrifikationshastigheten ökade då inkommande nitrathalt ökade upp till 415 mg/l.
- Denitrifikationshastigheten var hög vid fosfathalter mellan 0,1 och 114 mg/l och fosforavskiljningen var över 98 % ända upp till inkommande halter av 680 mg/l.
- Vid behandling av ett utgående avloppsvatten med låg halt organiskt material minskade nitrathalten från 15 till 1 mg/l och fosforn avskildes fullständigt.
Källa: R. Li, J. Niu, X. Zahn, B. Liu. Simultaneous removal of nitrogen and phosphorus from wastewater by means of FeS-based autotrophic denitrification. Water Science & Technology 67.12 (2013) pp 2761 – 2767.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
