Microbiology in activated sludge processes

Transkript

1 Microbiology in activated sludge processes Sara Hallin SLU Sara Hallin

2 Wastewater treatment Historically. Sanitation problems Environmental problems Recycling Biological treatment was introduced in the 1950 s. The activated sludge processes dominates and is the largest biotechnology industry in the world. 500 l sewage per person and day in Sweden! (1,6 x 10 9 m 3 /yr)

3 Microorganisms in activated sludge processes Microorganisms are the activated sludge process! Bacteria, fungi, viruses, protozoa, algea and metazoa Microorganisms enter the treatment plant from the sewage system.

4 Activated sludge processes Aeration basin and settling tank. The concept: Microorganisms (biomass) grow in the aeration tank and degrade organic matter while consuming oxygen. Floc formation is essential for settling. The retention time for microorganisms exceed that for the sewage. Nitrogen removal: Biological Phosphorus removal: Chemically or biologically.

5 Life on earth

6 All organisms Chemical energy Light energy Chemotrophs Phototrophs Litotrophs Organotrophs Heterotrophs Autotrophs Autotrophs Mixotrophs

7 Metabolism

8 Aerobic respiration

9 Oxidation: KOLFÖRENING KOLDIOXID + ELEKTRONER + VÄTEJONER Reduktion: SYRE + ELEKTRONER + VÄTEJONER VATTEN Fullständig reaktion: KOLFÖRENING + SYRE KOLDIOXID + VATTEN BIOKEMISKT BUNDEN ENERGI

10 Fermentation: GLUKOS ETANOL + KOLDIOXID BIOKEMISKT BUNDEN ENERGI Fermentation av socker till etanol och koldioxid. En del av kolet i sockret har oxiderats till koldioxid medan en del har reducerats till etanol (vanlig sprit).

11 Aerob Respiration (organotrof) Glukos Redox - Fermentation (organotrof) Glukos Glukolys 2 Pyruvat 2 ATP 2 NADH Glukolys 2 Pyruvat 2 ATP 2 NADH Fermentationsreaktioner 8 NADH Citronsyra 2 GTP 2 FADH cykeln 6 CO 2 NADH FADH ATP ATP ATP NAD + NADH Laktat Pyruvat AcCoA ATP Acetaldehyd NADH NAD + Etanol Acetate O 2 H 2 0 +

12 Biochemical events in activated sludge Organics (C, H, O, N, P, S) + Oxygen + Biomass Catabolism Mineralised products Energy (ATP) Reducing Power Precursors CO 2 +H 2 O+SO 4 2- PO NO 3 - Anabolism Biomass Waste

13 Traditionell ASP Organiskt material bryts ner av mikroorganismer i luftningsbassängen. Slammet (biomassa och organiskt material)avskiljs från det renade vattnet i sedimenteringsbassängen..

14 Microbiological reactions in the N cycle ATMOSPHERE Denitrification N 2 SOIL/WATER Nitrogen fixation N 2 O Organically bound nitrogen org-nh 2 NO Assimilation Mineralization/ Ammonification Assimilation NO 2 - NH 4 + NO 2 - NO 3 - Nitrification Dissimilatory nitrate reduction to ammonium

15 Nitrification in water treatment Nitrification lowers BOD load in recipient Nitrification coupled to denitrification lowers N load in recipient Nitrogen removal systems: - natural wetlands - constructed wetlands - wastewater treatment plants Process problems with inhibition: Microbial sensors for detecting nitrification inhibitors

16 Nitrification Nitrification involves several reactions and two different bacteria: 1. Dissociation of ammonium 2. Oxidation of ammonia Ammonia monooxygenase (AMO): Integral membrane protein Can oxidize methane Cometabolize halogenated compounds Inhibited by acetylene 3. Oxidation of hydroxylamine Hydroxylamine oxidoreductase (HAO): Soluble, periplasmic protein Nitrosomonas 4. Oxidation of nitrite

17 Ammonia oxidation: NH 3 + 1,5O 2 NO 2- + H + + H 2 O

18 Nitrite oxidation: NO 2- + ½ O 2 NO 3 - Periplams OH -

19 Carbon metabolism Cell constituents Growth

20 Energetic constraints... Energetic constraints are severe, particularly for NO 2- oxidizers. Many NO 2- also grow chemoorganotrophically on glucose or other substrates. 1. ATP and NADPH (reducing power) requirements in Calvin cycle 2. NAD(P)H formed by reverse e - flow: 2e - Cyt c e - e - Cyt c NAD(P) + O 2

21 The nitrifying bacteria Key genera: Nitrosomonas, Nitrobacter Phylogenetically or Proteobacteria (except Nitrospira) NH 3 oxidizers Nitrosomonas Nitrosococcus Nitrosospira (Nitrosolobus Nitrosovibrio) NO 2- oxidizers Nitrobacter Nitrospina Nitrococcus Nitrospira Nitrosomonas europeae

22 Denitrifikation är en andningsprocess som där nitrat omvandlas till kvävgas i flera komplicerade steg inom en och samma bakteriecell: nitrat nitrit kväveoxid lustgas kvävgas (NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2 ) Styrning och reglering av avloppsreningsverk

23 Denitrification: anaerobic respiration ATP Organic compound CO 2 Carbon flow Electron flow Biosynthesis NO 3-, (NO 2-, N 2 O)

24 Denitrification Denitrification is a respiratory process where oxidized nitrogen compounds (NO 3-, NO 2 ) are reduced stepwise to gaseous end products (NO, N 2 O, N 2 ): Cytoplasma NO 2 - NO 3 - NADH 2 NAD + nar 2e- 2e- 2enor e- NO 3 - Periplasma H + Proton motive force nir NO 2 - NO NO N 2 O nos N 2 O N 2

25 More than 50 genera and 130 species of denitrifying bacteria Archaea: Extreme halophiles, Halobacterium Proteobacteria (α, β, γ): Phototrophic bacteria, Rhodobacter Budding bacteria, Hyphomicrobium, Blastobacter Helical bacteria, Azospirillum, Campylobacter Nitrogen fixing bacteria, Rhizobium Ammonia oxidizing bacteria, Nitrosomonas Gram negative cocci, Paracoccus, Neisseria Chemoautotrophs, Thiobacillus, Beggiatoa Others, Alcaligenes, Pseudomonas, Moraxella, Flavobacterium Gram positives: Spore forming, Bacillus Non-spore forming, Corynebacterium

26 Nitrifikation Redox - Denitrifikation Glukos Glukolys 2 Pyruvat 2 ATP 2 NADH 8 NADH 2 FADH Citronsyra cykeln 2 GTP 6 CO 2 NH 4 + NO 2 - ATP NADH FADH ATP ATP O 2 H NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2

27 Nitrifierande bakterier Denitrifierande bakterier Nitrifierare finns i mark och vatten Bara några få arter Nitrifikation är två energigivande processer som utförs av två olika grupper av bakterier Nitrifierare växer långsamt Denitrifierare finns nästan överallt Många bakteriesläkten Denitrifikation är en alternativ andningsprocess i frånvaro av syre Denitrifierare är växer oftast snabbt

28 Efterdenitrifikation för biologisk kväveavskiljning Fördenitrifikation för biologisk kväveavskiljning

29 Nitrogen reduction (%) Denitrification rate (mg N 2 O-N g -1 VSS h -1 ) Effekt av extern kolkälla på kvävereningen a Kvävereningsgrad (%): 2. Denitrifikastionskapacitet: b E 60 E R R Time (days) Tid (dagar) Time (days) Tid (dagar) R = Fördenitrifikation utan extern kolkälla E = Fördenitrifikation med etanoltillsats

30 Intermittent dosering av etanol i en fördenitrifikationsprocess

31 N-cycle AIR Denitrification N 2 SOIL/WATER N-fixation Anammox N 2 O Organic nitrogen org-nh 2 Assimilation Assimilation N 2 H 2 NH 2 OH NO Mineralization NO 2 - NH 3 NO 2 - NO 3 - Nitrification Dissimilatory nitratreduction to ammonium (DNRA)

32 Anoxic Ammonia Oxidation: Anammox Uncharacterized organisms from wastewater treatment or nitrate rich sludge have beeen shown to oxidize ammonia to N 2 (1995). The reaction is nitrate or nitrite dependent. 5NH NO 2-4N 2 + 6H 2 O + 2H + The organisms grow autotrophically using CO 2.

33 Communities in sediments Denitrification in a wetland for N-removal Ekeby Constructed Wetland Total area: 36 ha Flow: ~45000m 3 /day

34 Water-flow paths

35 Denitrification rates Multiple regressions: PDA T R CN

36 Plants affect denitrification µg N/g DW/h

37 Plant effects in sediment Typha and Fragmites select nosz communities Seasonal differences (Ruiz et al., 2008, submitted)

38 Biological phosphorus removal ANAEROBIC AEROBIC Short chain fatty acids Energy Phosphate O 2 CO 2 +H 2 O Energy Phosphate Energy consumption for uptake of soluble organics. ATP and PO43- is released. Energy is conserved as polyphosphate granules. Uptake of PO Consumption of stored products (PHB).

39 Denitrification Biological phosphorus removal Recirculation of NO 3 - ANAEROBIC REACTOR AEROBIC REACTOR SEDIMENTATION Organics Energy PO 4 3- CO 2 +H 2 O Energy PO 3- O 2 4

40 PHB synthesis & degradation Acetic acid Acetyl-CoA Acetoacetyl-CoA Acetoacetate ß-hyroxybutyryl-CoA ß-hydroxybutyrate Poly-ß-hyroxybutyrate (PHB)

41 Sedimentering Flocken är fundamentet i aktivt slam. Snabb och effektiv sedimentering Icke sedimenterbara partiklar adorberas till flocken. Biologisk aktivitet är koncentrerad till flocken.

42 Flockar skapas av flera olika sorters mikroorganismer. Slemproducerande bakterier klistrar ihop flocken Filamentbildande bakterier är flockens armering. Bakterier är en förutsättning för flockbildning. Flockbildande förmåga är självreglerande i systemet.

43 Sedimenteringsproblem som beror på mikroorganismer Problem Orsak Konsekvens 1. Dispergerad tillväxt Inga riktiga flockar bildas då mikroorganismerna förekommer som enskilda celler Utgående vatten är grumligt, dålig sedimentering 2. Mikroflockar Små, svaga flockar som lätt slås sönder. Uppstår då BOD i inkommande vatten är låg i förhållande till SS-halten Utgående vatten är grumligt, lågt SVI 3. Flytslam Spontan denitrifikation i sedimenteringsbassängern a vid långa uppehållstider Slamtäcke i sedimenteringsbassänger

44 Sedimenteringsproblem som beror på mikroorganismer Problem Orsak Konsekvens 4. Viskös slamsvällning Mycket extracellulära polymerer. Vanligt i verk för industriellt avloppsvatten med låg halt av fosfor eller kväve Dålig sedimentering, slam i utgående vatten 5. Filamentös slamsvällning Mycket filamentbildande bakterier som sammanbinder flockar eller skapar flockar med hålrum, t ex Microthrix Högt SVI, och i svåra fall slamflykt, men klar vattenfas 6. Skumning Hydrofoba, skumbildande bakterier tex Nocardia och Microthrix Stabilt skum på ytan av bassänger, slam i utgående vatten, skumning i rötkamrarna, hälsorisk

45 Exempel på slamsvällning

46 Filamentous bacteria ( Microthrix parvicella ) in activated sludge flocs

47 Filamentbildande bakterier Det finns ca 30 kända filamentbildare i ASP 10 st står för 90 % av incidenterna Geografiska skillnader Få har "riktiga" namn Slamsvällning Microthrix parvicella Nostocoida limicola Typ 021N Typ 0803 Thiothrix Skumbildning Microthrix parvicella Nocardia eller Nocardia amaraeliknande organismer (NALO) Typ 021N Aktinomyceter

48 Vad skall man göra? Lär känna slammet för att hålla koll på filamenten: 1. Bestäm slamvolymindex (SVI) SVI>150 indikerar risk! SVI 1000 SV SÄ

49 Vad skall man göra? 2. Mikroskopera slammet regelbundet och bestäm a) filamenthalt b) typ av filament

50 Filamentbildande mikroorganismer i aktivslamflockar

51 Vad skall man göra? De vanligaste sätten att förska hålla nere filamenthalten är att: 1. Minska slamåldern 2. Öka eller minska luftningen. 3. Införa selektorer/kontaktzoner. 4. Bekämpa med toxiska ämnen. Ingen av dessa metoder är generellt tillförlitliga. Kunskapen om filamentbildande bakteriers svar olika parametrar är bristfällig.

52 Minskad filamenthalt efter ozonbehandling Total Filament Growth Extended Filament Growth 6 Control Experimental 6 Control Experimental Jenkins Scale 4 3 Jenkins Scale Aug Sep Oct Nov Dec Jan Sep Oct Nov Dec Jan

53 Bättre slamkvalitet oförändrad N-rening efter ozonbehandling SQI NH4 After Final Settler Control Experimental 4,0 3,5 Control Experimental 3, ,5 ml/g 300 mg/l 2, ,5 1, ,5 0 Sep Oct Nov Dec Jan Feb 0,0 Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb