Enhanced Biological Phosphorus Removal -Processes, Competing Substances and Tools for Operation of Wastewater Treatment Plants

Abstract

The idea of phosphorus removal at wastewater treatment plants is to transfer dissolved phosphorus into a solid phase. Together with the rest of the produced sludge it is then removed from the water, resulting in a decreased concentration of phosphorus in the effluent and the prevention of the eutrophication in the recipient.



Phosphorus can either be stored biologically, with enhanced biological phosphorus removal (EBPR), or with chemical precipitation. The EBPR-process is performed by polyphosphate accumulating organisms (PAOs) which are promoted by alternating anaerobic and aerobic conditions with volatile fatty acids (VFAs) available during anaerobic conditions. Also glycogen accumulating organisms (GAOs) are able to take up VFAs anaerobically and are consequently regarded as competitors to the PAOs.



The method of laboratory batch tests is thoroughly described and the evaluation of the results is discussed. It is concluded that the test is a useful tool for the characterisation of the EBPR activity of an activated sludge. However, the batch tests have some disadvantages and therefore a combination with for example microbial methods is suggested to obtain a more reliable evaluation of the process. The results from a study where laboratory batch tests and microbial methods jointly characterised sludge from a full-scale plant correspond well with models found in the literature originating from studies of sludge grown in laboratory reactors.



Studies in laboratory reactors, where populations of PAOs and GAOs can be highly enriched, are important in order to increase the knowledge of the EBPR process and also to improve activated sludge models. A laboratory reactor was used to investigate the effect of chemical precipitation. It was found that simultaneous chemical precipitation can compete with the PAOs for available phosphorus, resulting in favourable conditions for the GAOs.



The proportion between phosphates and VFAs has been shown to be important for the competition between PAOs and GAOs. A decreased ratio (P/VFA) in the influent wastewater is suggested to promote the growth of GAOs. To be able to continuously reach very low effluent phosphorus concentrations at full-scale plants, chemical precipitation is often used in addition to the EBPR process. The sludge hydrolysis is also a common method at treatment plants for production of the necessary VFA. Both chemical precipitation and sludge hydrolysis can decrease the P/VFA ratio. Even if both methods have been proved to be successful and sometimes also necessary, they are suggested to be used with caution in order to avoid the growth of GAOs. However, neither the significance of GAOs at full-scale plants nor the reason for the competition between PAOs and GAOs is understood yet. Furthermore, it was found that it is possible to operate full-scale plants with EBPR successfully, using chemical precipitation and sludge hydrolysis to improve the operation.



The release and uptake of phosphorus are strongly correlated to the release and uptake of magnesium (Mg2+) and potassium (K+). These ions are suggested to be counter-ions to the negatively charged orthophosphates. The proportions in Mg/P and K/P are not found to be constant. The supply of cations in the wastewater can be important for the choice of counter-ions, but it was also discovered that different ratios were found in batch tests when acetate or propionate was used as the carbon source, which suggests that other factors in addition to the concentrations are important for the choice of counter-ions.



Microbial studies as well as both laboratory- and full-scale studies are important for the understanding of the EBPR process. However, the results from laboratories have to be verified applicable also at full-scale plants before the knowledge can contribute to improve the phosphorus removal process.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Avloppsvatten renas från fosfor för att minimera utsläppet till sjöar och hav. Näringsämnena fosfor och kväve bidrar till övergödningen i våra vatten och kan reduceras kraftigt på avloppsreningsverken.



Fosforavskiljning går huvudsakligen ut på att få löst fosfat att hamna i en fast fas ? slammet, för att sedan kunna avskilja det från det renade vattnet. Bakterier som växer på reningsverket och tar bort kol- och kväveföreningar använder sig av fosfor för sin cellbyggnad. För rening av kommunala avloppsvatten räcker inte detta, utan speciella åtgärder måste till för att reningen ska bli tillräcklig. Den extra reningen kan göras på biologisk eller kemisk väg. Kemisk fosforavskiljning är den vanligast förekommande metoden i Sverige, där krav på fosforavskiljning har funnits länge. I denna avhandling har den biologiska metoden, bio-P, studerats närmare. Metoder för att karakterisera slammet med avseende på bio-P samt metoder för att förbättra driften av processen har studerats och utvecklats. Fokus har lagts på den komplexitet som finns i ett biologiskt system på ett reningsverk, med många olika processer som ska samsas under de förutsättningar som finns.



Bakterierna som sköter om den biologiska fosforavskiljningen kräver omväxlande tillgång på syre. När det är helt syrefritt (anaerobt) kan de ta upp kolkälla och lagra, för att sedan tillgodogöra sig den när syret kommer tillbaka. Bakterierna får därför konkurrensfördelar mot andra bakterier eftersom de inte behöver vara med och kriga om kolet i den syresatta (aeroba) zonen. Kolkällan som används måste vara i form av mycket små molekyler. Fettsyror som t.ex. ättiksyra är omtyckt mat av dessa bakterier.



Det finns två olika grupper av bakterier som kan ta upp kolkälla under syrefria förhållanden. Polyfosfatackumulerande organismer (PAO) använder fosfor för sin energilagring. För att ta upp kolkällan går det åt energi. De energirika polyfosfatbindningarna löses upp och fosfater släpps ut till det omgivande vattnet. Vid syretillgång tas fosfaterna upp igen och lagras med energirika bindningar i väntan på ny syrebrist. Stora mängder fosfor kan lagras i dessa bakterier och genom att avskilja bakterierna (slammet) från vattnet när fosforn befinner sig inne i bakterierna erhålls ett renat avloppsvatten utan fosfor.



Även glykogenackumulerande organismer (GAO) kan ta upp de korta kol-molekylerna under syrefria förhållanden. De använder sig av andra sätt för att lagra energi och tar inte upp mer fosfor än en vanlig bakterie. Därför är de inte till någon nytta för fosforavskiljningen. Däremot konkurrerar GAO med PAO om samma kolkälla i den syrefria fasen och kan på så sätt skada bio-P processen. Konkurrensbetingelserna mellan PAO och GAO är inte kända, men flera olika faktorer har föreslagits. En låg tillgång till fosfor i förhållande till kolkälla är, i vilket fall som helst, ett säkert sätt att få GAO-populationen att växa till.



Fosforsläppsförsök (P-släppsförsök) används för att testa bio-P aktiviteten hos ett slam. Syrefria förhållanden med tillgång på kolkälla skapas för det testade slammet i en mindre reaktor eller bägare på ett laboratorium. Efterhand som kolet tas upp släpps fosfor ut ur cellerna och den lösta halten kan analyseras där en uträknad P-släppshastighet är ett bra mått på bio-P aktiviteten. Genom att mäta förhållandet mellan upptagen kolkälla och släppt fosfor kan man också uppskatta förhållandet mellan mängden GAO och PAO i slammet. Ju mer kolkälla som tagits upp i förhållande till den fosfor som släppts, desto större andel är GAO. P-släppsförsök är användbara för att följa en uppstart eller drift av en bio-P anläggning. P-släpps-hastigheten från försök har visat sig vara ett bra kalibreringsverktyg för datorsimuleringar av reningsverk. Om en speciell kolkälla, t.ex. ett avloppsvatten, används i försöket kan det även användas som en test av själva kolkällan. Försöken är inte svåra att utföra och kräver inte någon avancerad utrustning. Det är däremot svårt att göra en standardiserad utvärdering av resultaten eftersom olika slam påverkas på olika sätt under testen. Syre och nitrat kan t.ex. störa det anaeroba P-släppet och göra resultaten mer svårtolkade. Det finns även risk för att det i slammet finns kemiskt slam som fortfarande har förmåga att binda löst fosfor. Det uppmätta P-släppet kan därför vara påverkat av kemisk fällning, vilket kan minska noggrannheten i mätningarna. P-släppsförsöken har visat sig vara en användbar metod både i drift- och forskningssammanhang. Det finns även andra sätt att följa processen. Att titta på bakterierna i mikroskop kan vara ett bra sätt att undersöka populationen i slammet. Det finns enkla och snabba infärgningsmetoder där man kan se om bakterierna lagrar poly-fosfater eller kolkälla inuti cellerna och mycket avancerade molekylär-biologiska metoder där man även kan ta reda på släktförhållandena för bakterierna i slammet. De sistnämnda metoderna används mycket inom forskning för att identifiera vilka bakterier som döljer sig i PAO- och GAO-grupperna.



Tillgång på lämplig kolkälla har länge varit känd som en nyckelfaktor för driften av bio-P anläggningar. Om inte kolkällan finns i tillräcklig mängd i det råa avloppsvattnet kan man producera med hjälp av hydrolys. Antingen låter man bakterier bryta ner partiklar och större kolkällor i det inkommande avloppsvattnet eller utnyttjas det slam som bildats i reningsprocessen för hydrolysen. En lagom nedbrytning skall ske så att tillgången på de små kolmolekylerna ökar.



En biologisk metod är mer känslig för driftstörningar än en kemisk. De höga krav som ställs på fosforavskiljning i Sverige har lett till att kemisk fällning finns som en kompletterande fosforavskiljningsmetod på de flesta bio-P anläggningar. Det går bra att kombinera metoderna, men det föreslås ändå en viss försiktighet och tanke bakom doseringen av fällningskemikalierna, eftersom de påverkar tillgången på fosfor i processen. Laboratorieförsök har visat att med en kraftig dosering av fällningskemikalier till den biologiska processen minskar mängden tillgänglig fosfor. PAO-aktiviteten sjunker till förmån för GAO som blir utan konkurrens om kolkällan och får möjlighet att växa som population. Utan en tydligare beskrivning av vilka faktorer som påverkar konkurrensen mellan PAO och GAO är det svårt att avgöra hur PAO klarar sig i konkurrensen när tillgången på fosfor ökar igen. Ett fullskaleförsök för uppstart av bio-P processen indikerar dock att om en syrefri zon skapas innan kemfällningsdoseringen tas bort gynnas tillväxten av GAO och uppstarten av bio-P går mycket långsamt. Kemfällning som sker i ett eget steg efter den biologiska processen påverkar inte bio-P på samma sätt, såvida inte processen är utformad så att det bildade kemslammet återförs till den biologiska processen.



Både kemfällning och hydrolys kan vara nödvändiga för att få en väl fungerande bio-P process med låga P-halter i utgående vatten. Båda processerna påverkar dock kvoten mellan kolkälla och fosfor och bör därför användas med försiktighet. Betydelsen av GAO i varje enskild anläggning bör undersökas samtidigt som studierna av PAO och GAO i forsknings-laboratorium fortsätter.



Bio-P är en komplicerad och ännu inte helt förstådd process inom avloppsvattenreningen. Processen ska samsas med övriga reningsmetoder på reningsverket såsom kol- och kväverening, vilket leder till att alla del-processer i de olika metoderna inte alltid får bästa möjliga förutsättningar. Att studera processer i mer avgränsade system i laborativ skala kan förenkla förståelsen. Det är viktigt att resultaten som erhålls i dessa laborativa system utvärderas även i komplexa fullskaleanläggningar.

• author: Tykesson, Eva
• supervisor: Jes La Cour Jansen
• opponent: Prof.Dr.Ir. van Loosdrecht, Mark, Department of Biochemical Engineering, Delft University of Technology
• organization: Water and Environmental Engineering
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Environmental Engineering; Water Engineering
• keywords: Miljöteknik, pollution control, Environmental technology, chemical precipitation, glycogen accumulating organisms, polyphosphate accumulating organisms, wastewater treatment, biological phosphorus removal, kontroll av utsläpp
• pages: 140 pages
• defense location: Room V:C, V-building,John Ericssons väg 1, Lund Institute of Technology
• defense date: 2005-05-20 13:15:00
• ISBN: 91-628-6478-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 5068bca5-15ac-436f-9139-07c8f838729b (old id 544831)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:30:41
• date last changed: 2018-11-21 20:41:58