Parameters Affecting Microorganisms and the Process Performance in Biological Wastewater Treatment

Abstract

The aim of the thesis was to investigate how different abiotic and biotic parameters may affect microorganisms and the process performance in various biological wastewater treatment systems.



The type of carbon source in the influent wastewater may have a profound effect on the composition and the activity of denitrifying activated sludge bacteria in nutrient removal. Of four investigated carbon sources (acetate, methanol, crude syrup, hydrolyzed starch) in long-term continuous cultivations, acetate and methanol were found to be more advantageous as carbon sources for denitrification in wastewater treatment than the carbohydrate products. Not only did they induce a higher denitrification rate and yield and a lower sludge production, they also enriched for a higher amount of true respiratory denitrifying bacteria.



The length of the sludge age, general process conditions and seasonal variations have a significant impact on the microbial composition and treatment performance. In a long-term investigation on two activated sludge plants, designed for enhanced biological phosphorus removal, but at different sludge loadings (low and high, with and without nitrogen removal, respectively) it was shown that different types of separation problems were encountered due to different sludge characteristics. The worst sludge characteristics were observed in the high loaded system, especially during the winter period. Another significant difference between the two systems was that the sludge production was different, being lower in the low loaded system.



Apart from abiotic process parameters, biological interactions within the microbial community may also have a great effect on the bacterial degradation activity. This was exemplified by studying the effect of grazing of microscopic predators (protozoa and metazoa) on nitrifying bacteria in an aerobic biofilm model system. It was demonstrated in a long-term experiment, by means of addition of specific inhibitors to the predators, that they may have a negative effect on nitrifying bacteria. Based on a development of a mathematical model of the experimental results, the negative effects were further postulated to be due to not only grazing, but also due to the oxygen consumption of the predators in the biofilm.



Based on the knowledge on how different parameters affect the microbial composition and the process performance, a new process was tested in order to decrease the sludge production in biological wastewater treatment. The process was based on optimizing the roles of bacteria and predators in separate stages. In the first stage, bacteria were stimulated for decomposal of the waste, whereas in the second stage predators were stimulated in order to feed on the bacteria produced in the first stage. This process was tested on laboratory scale with both synthetic as well as authentic, industrial wastewaters from the pulp and paper industry. The results turned out to be promising, indicating that the sludge production may be decreased by as much as 40-95%, depending on the type of wastewater and design of the process.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Principen för biologisk vattenreningsteknik är att mikroorganismer används för att bryta ner olika typer av föroreningar. Då det finns en stor mängd olika sorters mikroorganismer, kan flera typer av nedbrytningsmekanismer och processutformningar utnyttjas för olika krav och syften. Nackdelen med biologisk vattenreningsteknik är dock att den är känslig för störningar och att flera olika typer av problem kan uppstå. Detta beror dock främst på att vår kunskap om den grundläggande mikrobiologin i de biologiska vattenreningsprocesserna är ganska bristfällig. Mera forskning på detta område bör därför kunna öppna möjligheter till att optimera och utveckla nya typer av biologiska vattenreningsprocesser.



Avhandlingens syfte har varit att undersöka hur olika abiotiska och biotiska faktorer påverkar mikroorganismer och reningskvalitén i olika typer av biologiska vattenreningssystem, främst med inriktning på närsaltsavskiljning och åtgärder till att försöka sänka mängden överskottsslam.



Principen för närsaltsavskiljning är att kväve och fosfor avskiljs med olika typer av bakterier. Kvävet avskiljs med hjälp av de mikrobiologiska processerna nitrifikation och denitrifikation. I nitrifieringen omvandlas ammonium till nitrat, och i denitrifieringen omvandlas nitratet vidare till atmosfärisk kvävgas. Fosforn avskiljs av bakterier som kan lagra fosfor i överskott, varvid fosforn kan avskiljas från det renade vattnet med det fosforanrikade slammet. Tre olika delstudier utfördes för att belysa problemställningar kring dessa processer.



I den första delstudien undersöktes vilken inverkan olika typer av kolkällor har på denitrifikationen. Fyra kolkällor (acetat, metanol, råsirap och hydrolyserad stärkelse) jämfördes med varandra i en kontinuerlig studie under en längre tid. Acetat och metanol visade sig vara mera lämpade som kolkällor. Förutom att de stimulerade högre hastighet och utbyte vid denitrifikationen samt gav upphov till en lägre slamproduktion, gynnade de också ett större antal fullständigt denitrifierande bakterier, medan de båda kolhydraterna visade sig gynna en större andel nitritproducerande bakterier. Även om ingen signifikant nitritackumulering noterades under försökets gång med de två kolhydraterna, så kan den typ av mikroflora som bildats under vissa betingelser innebära en risk för ett toxiskt nitritutsläpp från reningsverk.



I den andra delstudien undersöktes hur olika processbetingelser och årstidsvariationer påverkar slamegenskaper och reningskvalité. Undersökningen utfördes i en pilotanläggning på Malmö Reningsverk i två aktivslamprocesser som båda var dimensionerade för biologisk fosforavskiljning, men med respektive utan kväveavskiljning. Mikroskopi-undersökningar visade att den mikrobiella sammansättningen skilde sig avsevärt mellan de två anläggningarna. Detta hade i sin tur stor effekt på slamegenskaperna och därmed möjligheterna till att separera det renade vattnet från slammet. De sämsta slamegenskaperna konstaterades i den högbelastade anläggningen, särskilt under vinterperioderna då regn och snö orsakade högre flöden in till verket. Detta ledde till utspädning av inkommande vatten och svältbetingelser för bakterierna, vilket kan ha gynnat sådana filamentbildande bakterier som ger upphov till dåliga slamegenskaper.



I den tredje delstudien undersöktes det huruvida mikroskopiska predatorer påverkar långsamväxande bakterier i aeroba biofilmsprocesser. Då nitrifieringen utförs av extremt långsamväxande bakterier blir denna process känsligare för störningar än andra mikrobiella nedbrytningsprocesser. Ett sätt att gynna nitrifieringen är därför att använda en biofilmsprocess, där nitrifierarna är immobiliserade på ett bärarmaterial. En möjlig nackdel med ett sådant system är att nitrifierarna kan vara utsatta för mikroskopiska predatorer, eftersom sådana finns i höga halter i biofilmsprocesser. Hittills har detta främst ansetts gälla relativt stora mikroskopiska predatorer (sekundära konsumenter) som maskar och insekter. Men i en studie inom denna avhandling visades att även mindre predatorer som protozoer och rotiferer (primära konsumenter) kan ha en stor inverkan på nitrifikationshastigheten. En matematisk modell som utvecklades visade att den negativa effekten kunde också bero på predatorernas syre-konsumtion i biofilmen.



Med hjälp av den kunskap som erhållits från de tidigare delstudierna utvecklades en ny process med syfte att uppnå en minskad överskottsslamproduktion. Överskottsslam är en väsentlig biprodukt från biologiska vattenreningsprocesser till en följd mikroorganismernas tillväxt. Avsevärda mängder produceras varje år (genomsnittsvärdet för överskottsslamproduktionen för ett land inom EU är cirka 5.5 ton). Även om en del av detta slam kan användas som gödlingsmedel inom lantbruket, så utgör överskottsslammet totalt sett ett problem, som dessutom tenderar att öka på grund av högre krav på reningskapacitet och slammets kvalité.



Ett sätt att minska på överskottsslamproduktionen är att redan inom processen försöka minska själva uppkomsten av överskottsslam genom att utnyttja olika typer av mikroorganismer mera optimalt. Denna strategi undersöktes närmare i laboratorieskala i en tvåstegsprocess. I det första steget var syftet att stimulera bakterier till att bryta ned det lösta organiska materialet. I det efterföljande steget var syftet att stimulera olika typer av mikroskopiska predatorer som åt upp de bakterier som bildats i det första steget. Detta koncept testades på både syntetiska och industriella avloppssvatten. Vidare testades olika typer av processuppsättningar av det andra steget. De preliminära försöken visade att en signifikant slamreduktion på 40-95% kunde uppnås, beroende på vilket typ av avloppsvatten och processuppsättning som användes.

• author: Lee, Natuscka M
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr. Lemmer, Hilde, Munich, Germany
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Industrial Biotechnology
• keywords: procaryotes, filamentous bacteria, sludge properties, microbiology, sludge production, nutrient removal, biofilm process, Biological wastewater treatment, activated sludge process, protozoa, metazoa, Biotechnology, Bioteknik
• pages: 70 pages
• defense location: Lund
• defense date: 1996-05-13 10:15:00
• external identifiers: other:LUTKDH/TKBT-96/1027-SE
• language: English
• LU publication?: no
• id: be405476-21e5-4c1e-af9d-b316c94e96eb (old id 28422)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:40:30
• date last changed: 2018-11-21 21:06:25