Effect of biofilm thickness and carrier type on the performance of anaerobic moving bed biofilm reactors (AnMBBRs)

Abstract

The anaerobic moving bed biofilm reactor (AnMBBR) is a wastewater treatment process that has shown effective for the treatment of industrial wastewaters. As the AnMBBR is a biofilm process, nutrients, products, etc. must be transported through the biofilm. The thickness of the biofilm may, therefore, impact the process. The objectives of this study were (1) to evaluate the effect of the biofilm thickness and carrier type on the performance (in terms of soluble organic removal, “sCOD removal”, and biogas production) of AnMBBRs and (2) to assess the effect of the different carriers on biofilm development and accumulation. Three continuous lab-scale AnMBBRs were operated, fed with industrial wastewater from food processing. The reactors were filled with two different carrier types (commercial AnoxKTM Z-200 carriers and a prototype of AnoxKTM Z-1000 carriers) allowing for different maximal biofilm thickness (200 μm and 1000 μm respectively). The results from this study suggested that the biofilm thickness and type of carrier influence the performance of AnMBBRs. The reactor filled with Z-200 carriers showed a low performance with a fluctuating sCOD removal not exceeding 73% and a methane content in the biogas of 63 ± 2%. The results from the reactors with Z-200 carriers were comparable to other studies made on AnMBBRs treating industrial wastewaters from food processing. They had high sCOD removal efficiencies of over 90% and methane content in the biogas of 69 ± 2% and 68 ± 2%. The study also showed that the rate of biofilm accumulation was considerably higher for the Z-1000 carriers, as compared to the Z-200 carriers, possibly as a result of the biofilm being less exposed to hydraulic shear in the deeper Z-1000 carriers. Even though there was more biofilm in the reactors with Z-1000 carriers, the specific removal rate was higher in the reactor with the Z-200 carrier. This suggests that the biofilm on the Z-200 carriers was more active or specialized compared to the biofilm on the Z-200 carriers.

Popular Abstract (Swedish)

Biofilmer finns på ytor överallt runtomkring oss: på våra tänder (plack), på våta ytor i t ex. badrummet och på stenar i vattendrag. Biofilmer är ytterst tunna (vanligtvis mindre än 1 mm) och består av aggregat av mikroorganismer, såsom bakterier, vilka omges av en skyddande hinna. Dessa aggregat bildar ett ”supersamhälle” av mikroorganismer som gör det möjligt för dem att lättare samarbeta med varandra och utbyta näringsämnen m.m. I vissa fall kan biofilmer vara av ondo men i andra fall kan de vara till nytta för oss och naturen. Biofilmer kan nämligen användas för att rena avloppsvatten! Om detta görs i en syrefri miljö produceras dessutom biogas vilket kan användas som bränsle.

I livsmedelsindustrin och liknande industrier används ofta vatten för framställning av produkter. I och med denna användning produceras stora mängder avloppsvatten som är rikt på organiska föreningar såsom kolhydrater, fett och proteiner. Om dessa näringsämnen kommer ut i naturen kan detta leda till negativa konsekvenser för både miljö och människa, såsom övergödning och fiskdöd. Avloppsvatten rikt på organiska föreningar måste alltså effektivt renas för att kunna släppas ut i naturen eller för att återanvändas. En teknik, utvecklad av AnoxKaldnes AB, som har visat sig effektivt för att rena avloppsvatten från organiska föreningar är den så kallade ”Anaerobic Moving Bed Biofilm Reactor” (förkortat AnMBBR). ”Anaerobic” står för att processen görs utan syre medan ”Moving Bed Biofilm” syftar till att tekniken använder sig av biofilm som växer på ett material (så kallade ”bärare”) som rör sig fritt i reaktorn.

Näringsämnen m.m., som är nödvändiga för att mikroorganismerna ska kunna växa och vara aktiva, måste kunna penetrera hela biofilmen. Detta betyder i sin tur att biofilmens tjocklek kan ha betydelse för reningsprocessen. Syftet men denna studie var därför att undersöka hur tjockleken av biofilmen påverkar reningsprocessen. Detta gjordes genom att driva tre stycken reaktorer i ett labbskaleförsök. Dessa reaktorer var fyllda med två olika typer av bärare, en som tillåter en maximal biofilmstjocklek på 200 mikrometer (”Z-200” bärare) och en som tillåter en maximal biofilmstjocklek på 1000 mikrometer (”Z-1000” bärare). De två bärartyperna hade dessutom vissa skillnader i form och material.

Studien visade att den AnMBBR som var fylld med Z-200-bärare hade en sämre prestanda jämfört med den AnMBBR som var fylld med Z-1000-bärare, eftersom avlägsnandet av organiskt material var lägre i denna reaktor och mer fluktuerande. Detta misstänks bland annat kunna bero på att den tunna biofilmen på Z-200-bärarna är mer utsatt för förändringar i sin omgivning (såsom förändringar i näringsinnehåll och sammansättning av avloppsvattnet), men även att det var en obalans mellan de samarbetande mikroorganismerna i biofilmen. Dessutom var både mängden biofilm mindre och ackumulationen av biofilm avsevärt långsammare på dessa Z-200-bärare, vilket troligen beror på att ytan på dessa bärare var mindre skyddad och mikroorganismerna därför har svårare att etablera sig. Alternativt skulle detta även kunna bero på skillnader i materialet på bärarna vilket skulle kunna påverka hur mikroorganismerna interagerar med materialet och hur ”lätt” de har för att fästa och bilda biofilm på ytan. Vad som dock var intressant var att, trots att Z 200 bärarna hade en mindre mängd biofilm, så avlägsnade de mer organiskt material per gram biofilm. Detta visar på att mikroorganismerna var mer aktiva på Z-200-bärarna jämfört med Z 1000 bärarna, vilket skulle kunna vara en konsekvens av den tunnare biofilmen som gör det möjligt för näringsämnen att penetrera hela biofilmens tjocklek.

Denna studie visar på vikten av att undersöka hur biofilmens tjocklek påverkar reningsprocessen, för att kunna utvärdera vilka typer av bärare som lämpar sig bäst för att användas i AnMBBR processen. Detta är av stor vikt för att man i framtiden mer effektivt ska kunna rena olika typer av avloppsvatten. I framtiden skulle det dock även vara av intresse att med hjälp av genteknik identifiera vilka typer av mikroorganismer som biofilmen består av och hur biofilmens tjocklek påverkar detta mikrobiella samhälle.

• author: Hermansson, Astrid
• supervisor: Åsa Davidsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Anaerobic, wastewater treatment, AnMBBR, MBBR, biofilm thickness, carrier, organic removal, water engineering, environmental engineering, avloppsteknik, vattenförsörjningsteknik
• language: English
• id: 9023324
• date added to LUP: 2020-07-06 10:36:28
• date last changed: 2020-07-06 10:36:28