Konceptet algodlingskanal (HRAP = High rate algal pond) har utvecklats med biofilmetablering på insatta nylonnät. Goda resultat har nåtts, både för biomassaproduktion och avloppsrening.
Av: Jörgen Hanaeus
Hushållsavloppsvatten som ju innehåller mycket organiskt material behöver enkel och resurssnål behandlingsteknik i många utvecklingsländer. Biodammar kräver stor yta varför HRAP-konceptet har utvecklats. Där maximeras ljustillförseln och algskörd möjliggörs med en avsevärt mindre yta. I denna studie har ytterligare ett steg tagits; med artificiell belysning och insatta nät för biofilmpåväxt har, med en uppehållstid av 15 d, en biomassatillväxt av 54
g/m2, d med ett proteininnehåll av 37 g/m2, d nåtts i thailändska försök.
Avloppsvattnet renades parallellt till 87 % på COD, 62 % på kväve och 69 % på fosfor.
Bakgrund
På rund av låga kostnader för investering, drift och underhåll har HRAP-systemet (oval, grund kanal med en paddel som svarar för vattnets rörelse) fått stor spridning för avskiljning av organiskt material och andra näringsämnen ur avloppsvatten.
Mikroalger och bakterier arbetar i symbios, så att ljusstrålning fotosyntetiserar alger ur koldioxiden under syreproduktion. Bakterierna konsumerar syret och arbetar med nedbrytningen av organiskt material varvid koldioxid bildas och nya alger kan syntetiseras.
I naturen följer processen en dygnsrytm, styrd av solstrålningens intensitet. Döda alger och bakterier sedimenterar, varvid fosfor och kväve ingår. Via skörd kan biomassan, med näring och protein, tillvaratas.
Flera HRAP-system har utvecklats. Svagheter har varit stort arealbehov, oregelbunden ljustillgång, låg produktion av biomassa och protein. Här har därför provats en ny variant som har större djup, fastsittande bakterier och tillförsel av artificiellt ljus.
Material och metod
Som inoculum för mikroalger valdes Chlorella och avloppsvattnet kom från en universitetsbyggnad i Bangkok.
Tre ovala HRAP-enheter tillverkades i betong och med måtten: bredd 0,46 m * längd (hela varvet) 0,92 m * djup 1 m, vilket gav en vattenvolym av 400 L. De placerades utomhus. Nylonnät på ställningar (0,23 m2/st) sänktes ner och gav en specifik yta av 9,2 m2/m3 vattenvolym. I varje enhet installerades en paddel för att med 10 rpm blanda om och driva vattnet runt (gav 15 cm/s). Optisk fiber och LED-lampor i kombination belyste kontinuerligt vattnet samtidigt som ljusintensiteten mättes. Obehandlat avloppsvatten preparerades med WC-vatten till COD ca 800 mg/L; Ntot 91 mg/L; Ptot 14 mg/L; SS 380 mg/L.
Belysningen av de tre enheterna skedde med intensiteterna 40,160 resp180 µmol/m2, s.
Vattentemperaturen var ca 30 ºC. Efter 14 d påfördes avloppsvattnet och enheterna drevs till relativt stabila utgående COD-halter varefter mätningar genomfördes med fallande flöden till uppehållstiderna 4, 8 resp 15 dygn i varje enhet.
Både biofilm (avskrapad på kontrollerad ytstorlek) och frisimmande biomassa (på tre olika djup) mättes tre gånger i veckan och angavs som suspenderat material.
Proteininnehållet beräknades efter 6,25 * halten Kjeldahl-N (total) i mg/L. Stover-Kincannons modell användes för beräkning av kinetiska konstanter.
Resultat
Vid stationärt tillstånd var pH-värdena för enheterna 7,4, 7,8, resp 8,2 och syrehalterna 4, 6 resp 7 mg O2/L.
Den högsta ljusintensiteten återfanns naturligt nog närmast ytan (prov från 5 cm djup); ca 250 µmol/m2, s. Den artificiella belysningen gav dock en större intensitet på djupet än vanligt (nära noll efter 30 cm); här uppmättes så mycket som 86 µmol/m2, s på 65 cm djup.
Reduktionen av näringsämnen följde uppehållstiden tämligen väl; 4 d gav ca 50 % reduktion av COD medan 15 d gav ca 87 %. För totalkväve var motsvarande siffror 20 % och 55 % medan för fosfor erhölls ca 24 % och 55 %. Författarna menar att pga tämligen neutralt pH-värde borde den dominerande kvävereduktionen orsakas av assimilation till biomassan och nitrifikation-denitrifikation snarare än av ammoniakavgång, men påpekade att problemet borde studeras ytterligare.
I HRAP-anläggning 3 med den högsta ljusintensiteten blev biomassaproduktionen 54 ± 4 g/m2, d med proteininnehållet 37 ± 8 g/m2, d. Högsta halt klorofyll-α blev 13 mg/L.
Den dominerande delen av biomassaproduktionen kom från den fastsittande biofilmen; endast ca 8 % kom från suspensionen, vilket gällde alla tre enheterna.
Dominerande algart var Chlorella men även Scenedesmus sp. och Oscillatoria sp. återfanns; troligen härstammande från avloppsvattnet. Fördelningen var snarlik mellan de tre HRAP-enheterna.
Kinetiska parametrar för de olika näringsämnenas separation bestämdes. Energiåtgång och kostnader för avloppsbehandlingen (m3/d) och för biomassaproduktionen (kg/d) beräknades.
Slutsatser
Kombinationen av de traditionella, frisimmande algerna och den fastsittande biofilmen gav med hjälp av artificiell belysning en ökad effekt jämfört med traditionella HRAP-system och utfallet bedömdes både energi- och kostnadseffektivt. Biofilm bildas sannolikt i mindre mängder även i traditionella HRAP-system, vilket kan vara viktig mät- och analyskunskap då biofilmen här befanns svara för över 90 % av reduktionen av näringsämnen.
Det kan vara värt att erinra om att vattentemperaturen var 30 ºC vilket på våra breddgrader normal endast nås för en del industriella avloppsvatten. HRAP-systemen påminner f ö om den svenska ringkanalen som lanserades kring 1940-talet, främst i landets södra delar.
Källa: Jinda, K.1), Koottatep, T.1), Chaiwong, C.1) & Polprasert, C.2) (2020): Performance evaluation of novel attached-growth high rate algal pond system with additional artificial illumination for wastewater treatment and nutrient recovery. Water Science & Technology, 82.1, pp 97-106.
Författarna från:
Environmental Engineering and Management, School of Environments Resources and Development, Asian Institute of Technology, Pathumthani, Thailand 12120.
Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Thammasat University, Pathumthani, Thailand 12120.
Kontakt: kestrin.jin17@gmail.com
