Vid membranluftade biofilmsreaktorer, där luft eller syre tillförs innanför membranen så att syre kommer direkt till biofilmen som växer på membranen, kan predation uppstå i den inre delen av biofilmen vid särskilda betingelser, vilket kan äventyra processen.
Av: Bengt Andersson
Membranluftade biofilmsreaktorer (MAB) är en ny teknologi, som baseras på att luft eller syre tillförs inne i membranen istället för i reaktorn som vid konventionellt luftade reaktorer (CAB). Applikationen kan förbättra syreöverföringen väsentligt, vilket medfört att intresset för processen har ökat på senare år. En ökad förståelse för processen erfordras emellertid eftersom den skiljer sig markant från den konventionella processen. CAB har högst syrehalt och COD-halt i de yttre delarna av biofilmen, där även den metabola aktiviteten är störst, medan syre tillförs vid den inre delen av biofilmen i MAB och den största aktiviteten kan därför finnas var som helst i biofilmen. Detta kan leda till skillnader i biofilmens uppbyggnad och karakteristik.
I heterotrofa MAB har observerats stora hålrum i den inre delen av biofilmen utan någon förbindelse med vätskan i reaktorn. Bildandet av hålrum har antagits bero på predation av protozoer som amöbor, flagellater och ciliater. Amöbor är normalt dominerande protozoer i en biofilm och de etablerar sig själva och de bidrar till etableringen av flagellater och ciliater. Motsvarande observationer inte har gjorts för en CAB.
Syftet med studien var att försöka förklara om och hur hålrum i biofilmen i en MAB bildas genom en jämförande studie vid olika försöksbetingelser.
Genomförande
Försöken genomfördes i laboratorieskala i flödesceller med hålfibermembran applicerade som MAB eller CAB. Vid MAB tillfördes syre i membranet och omgivande vätska gjordes anaerob genom tillförsel av N2. Vid CAB var syrehalten i omgivande vätska omkring 5 mg O2/l och N2 tillfördes i membranen för att skapa anaeroba förhållanden vid membranet. Flödescellen ympades med avloppsvatten från ett närliggande avloppsreningsverk.
Strategin var att studera MAB med heterotrofa blandkulturer med lågt COD i avloppsvattnet (cirka 60 mg COD/l) så att COD-halen var begränsande i den innersta delen av biofilmen. En MAB med ymp utan protozoer, borttagna genom trestegsfiltrering och med en låg COD-halt utgjorde referens. Tre jämförande försök med en varaktighet av mellan 80 och 100 timmar utfördes med obehandlad ymp – en MAB med hög COD-halt (cirka 300 mg COD/l), en MAB med låg COD-halt och en CAB med låg COD-halt.
Utvärderingen gjordes med hjälp av optisk koherens tomografi (OCT), mikrosensoranalys och matematisk modellering. OCT genomfördes var tredje till femte timme så att biofilmstjocklek, yta och hålrum kunde beskrivas. Med hjälp av mikroelektroder för syre bestämdes syreprofilen i biofilmen. Den mikrobiologiska sammansättningen bestämdes genom sekventiering av bakterier och eukaryoter. En endimensionell biofilmsmodell användes för att kvalitativt kunna förklara mekanismerna för bildandet av hålrum genom predation.
Resultat
Försöket med referensen utan protozoer i ympen och en låg COD-halt visade att biofilmen utvecklades snabbt till en tjocklek av omkring 220 μm och andelen hålrum i biofilmen var stabilt under cirka 7 % i hela försöket.
Försöket med en MAB med låg COD-halt och en obehandlad ymp visade att andelen hålrum i biofilmen uppgick till 45 % efter 80 timmar. Hålrummen började utvecklas då biofilmen uppnått en tjocklek mellan 50 och 100 μm när COD-diffusionen började begränsa den bakteriella tillväxten. I slutet av försöket hade hålrummen utvecklats till ett sammanhängande mellanrum vid membranet. Stora hålrum påverkade processen negativt med sämre vidhäftning av biofilmen med risk för att biofilmen lossnade.
Försöket med en MAB med hög COD-halt och en obehandlad ymp visade att andelen hålrum endast var 3,9 %. Den aktiva delen av biofilmen var mycket djupare och närmare ytan av membranet än i försöket med låg COD-halt och den lägre andelen hålrum berodde på en högre tillväxthastighet i biofilmens inre delar, vilket motverkade predation.
Försöket med en CAB med låg COD-halt visade att hålrummen var mera jämnt fördelade än i en MAB, vilket kunde förklaras med att predationen började redan vid uppbyggnaden av biofilmen. Högre tillväxthastighet uppnåddes i de yttre aeroba delarna medan de inre delarna blev anaeroba då filmen uppnått en viss tjocklek, vilket potentiellt skyddade för predation. Andelen hålrum i biofilmen låg stabilt på cirka 10 % under cirka 100 timmar, varefter andelen snabbt ökade till nästan 30 %.
Försöken visade att bildandet av hålrum i biofilmen i huvudsak berodde på substrathalten i biofilmen, som påverkade tillväxthastigheten för bakterier och predatorer. Hålrum bildades så snart en COD-begränsning uppkom vid membranytan, vilket medförde att hastigheten för predation översteg den mikrobiella tillväxthastigheten. Då väl hålrum utvecklats skapades en nisch för rörliga protozoer, som utvidgade hålrummen till stora kontinuerliga mellanrum. Vid kraftigt utvecklade och sammansatta hålrum kunde stora delar av biofilmen lossna.
Sekventiering av eukaryoter visade att ciliater dominerade i ympen och att förekomsten av amöbor och flagellater var begränsad. Biofilmen dominerades amöbor. En grupp av flagellater, som livnär sig på fastsittande biomassa, fanns i MAB med låg COD-halt.
Den ekologiska successionen för en MAB med låg COD-halt började med en tunn biofilm utan hålrum, fullt penetrerad av både COD och O2 med en hög tillväxthastighet. Den fortsatte med COD-begränsningar i de innersta delarna av en tjockare biofilm med minskad tillväxt där amöbor skapade små hålrum vid membranet, som efter hand gynnade flagellater. Den fortsatte med större hålrum, som växte ut till den aktiva zonen av biofilmen där ett stabilt tillstånd slutligen uppnåddes mellan tillväxt och predation.
En endimensionell biofilmsmodell kunde kvalitativt utvärdera och förklara resultaten och modellen kunde styrka den allmänna hypotesen att hålrum skapas då en biofilm, utsatt för predation, hade aeroba zoner med låg tillväxthastighet. Modellen bör utvecklas för att kunna ta hänsyn till effekten på olika organismer som nitrifierare och anammoxbakterier.
Slutsatser
Försök med membranluftade bioreaktorer visade att
- stora hålrum i biofilmen skapades vid predation i aeroba zoner med begränsad bakteriell tillväxthastighet medan inga hålrum skapades vid en aktiv tillväxt av biofilmen
- predation initierades av amöbor och när väl hålrum bildats koloniserades de av flagellater, som utvidgade håligheterna så att biofilmen, särskilt vid skivmembran, kunde lossna
- fler studier erfordras för att klargöra effekten på olika bakteriegrupper
Källa: M. Aybar, P. Perez-Calleja, M. Li, J.P. Pavissich, R. Nerenberg. Predation creates unique void layer in membrane-aerated biofilms. Water Research 149 (2019), pp 232 – 242.
