Microbiology in activated sludge processes

Relevanta dokument
Biological N and P removal in activated sludge processes

Biological N and P removal in activated sludge processes

Biological N and P removal in activated sludge processes

Microbiology in activated sludge processes. Sara Hallin Dept. Forest Mycology and Plant Pathology SLU

Microbiology in activated sludge processes

Microbiology in activated sludge processes

Biological N and P removal in activated sludge processes

Microobiology in anaerobic wastewater treatment

Rening av avloppsvatten Introduktion (Kapitelhänvisning avser Avloppsteknik 2)

KILENE AVLOPPSRENINGSVERK. Hammarö kommun

Vägen till en förbättrad biologisk rening på ett koksverk. Erika Fröjd, SSAB Oxelösund

VARFÖR RENA AVLOPPSVATTEN?

Biofilmsprocess med rörligt bärarmaterial för nedbrytning av läkemedelsrester. Sofia Johannesson

MBBR - Nu och i framtiden

Enkel modellering av ett biologiskt reningsverk

Avlopp och Kretslopp. Driftavtal för att säkerställa funktionen hos små reningsverk. Hanna Karlsen Topas Vatten, Peter Johansson Topas Vatten

Etablering av biologisk fosforavskiljning i

IWA 12 th world congress on. Guadalajara, Mexico. Jan Moestedt Utvecklingsingenjör, Svensk Biogas FoU

TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening

Mikroorganismer i avloppsrening

BASÅRET KEMI B BIOKEMI VT METABOLISM (sid )

RENINGSVERKETS MIKROBIOLOGI BIOLOGISKA RENINGSSTEGET KVÄVETS KRETSLOPP ANDRA BIOLOGISKA RENINGSMETODER

Är aeroba granuler något för svensk avloppsrening? Britt-Marie Wilén Institutionen för Bygg- och miljöteknik Avdelningen för Vatten Miljö Teknik

Användning av kol och energikällor

Rejektvattenbehandlingens inverkan på kvävereduktionen vid Arboga reningsverk

Anammox för klimatsmart kväveavskiljning

Kväve former och transformering. Lars Leonardson Ekologiska inst/limnologi Lunds universitet

SÄTTERSVIKENS AVLOPPSRENINGSVERK. Hammarö kommun

TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening

Pilotförsök Linje 1 MembranBioReaktor

Bio P nätverket Var kom det ifrån och vart är vi på väg?

Cellens metabolism (ämnesomsättning)

Tekniker Va*enbruk. Landbaserad & havsbaserad småskalig verksamhet. Ane*e Ungfors & Susanne Lindegarth, Va*enbruksCentrum Väst, Göteborgs Universitet

Karakterisering av reningsprocessen i SBRreaktorn. Characterization of the nitrogen reduction process in the SBR at Sobacken

Cellens metabolism (ämnesomsättning) Kap8 Sidor i boken Enzymer: Metabolism: , , ,257,

Johan Nordgren, Andreas Matussek, Ann Mattsson, Lennart Svensson, Per-Eric Lindgren Division of Medical Microbiology/Molecular Virology Department of

Flytslam i Lövsta avloppsreningsverk

Rapport av elektrokemisk vattenreningsanläggning. Britta Lindholm- Sethson, Kenichi Shimizu, Torgny Mossing.

Välkommen på Utbildningsdag. Processer i avloppsreningsverk

ESKILSTUNA ENERGI & MILJÖ VATTEN & AVLOPP LABORATORIUM

Anammox - kväverening utan kolkälla. Var ligger forskningsfronten? E. Płaza J.Trela J. Yang A. Malovanyy

Nya processlösningar för resurseffektiv kväveavskiljning

Biorening i små reningsverk vid enskilda avlopp med hög organisk belastning

drift av små, privata avloppsreningverk

STUDY ON ONE-STAGE PARTIAL NITRITATION-ANAMMOX PROCESS IN MOVING BED BIOFILM REACTORS: A

Räkneuppgifter i Vattenreningsteknik - 2

TENTAMEN i Vattenreningsteknik 1TV361

Tentamen Biologi BI1112 Termin och år: Klockan:

Membranfiltrering och fällning för behandling av kommunalt avloppsvatten

Nitrogen removal from municipal wastewater by mainstream Partial Nitritation/Anammox process

Implementering av LSP-konceptet i långtidsluftade aktivslamanläggningar inom massaindustrin

Content of presentation. Long-term effects, maintenance and costs for wastewater treatment wetlands in Sweden. Alhagen - Nynäshamn

Går igenom populärversion av aktivt slam. Hur man kontrollerar slam visuellt Vad händer när det blir slamflykt och flytslam Vad bör man tänka på när

Avloppsrening & Vattenrening. Sofia Andersson

Undersökning av deammonifikationsprocessens optimala uppstartsförhållanden för kväverening av rejektvatten på Ryaverket

Entreprenörsfredag Borås

Hur celler får energi från föda (Alberts kap. 13) Introduktion

Provmoment: Ladokkod: TK141C Tentamen ges för: Namn: (Ifylles av student) Personnummer: (Ifylles av student)

Etanol och biogas ur cellulosarika avfall. Utbildning om Resursåtervinning

Dricksvattenkvalitet Vålberg, Edsvalla och Norsbron

Förändringar av vårt råvatten - orsaker, konsekvenser och behov av nya beredningsmetoder

Energi, katalys och biosyntes (Alberts kap. 3)

Statens naturvårdsverks författningssamling

Innehåll. Vad är reglerteknik? Forskning inom processtyrning - Resurseffektiv avloppsvattenrening genom reglerteknik

KÄLLBY AVLOPPSRENINGSVERK

Förklaring av kemiska/fysikaliska parametrar inom vattenkontrollen i Saxån-Braån

Nitrifikation i MBBR processer

EVALUATION OF DEAMMONIFICATION

Framtida reningskrav för kommunala avloppsreningsverk

Välkommen till Sjöstadsverket

Förbättring av kvävereduktionsprocessen på avloppsreningsverket Lucerna under WTOS-styrning

Område: Ekologi. Innehåll: Examinationsform: Livets mångfald (sid ) I atomernas värld (sid.32-45) Ekologi (sid )

Strategier för effektiv nitrifikation slamålderns betydelse

Läkemedelsrester, andra farliga ämnen och reningsverk

Modellering och styrning av ett biologiskt reningsverk

Dränering och växtnäringsförluster

Produktionsvåtmark för framställning av biogas

TENTAMEN i Vattenreningsteknik 1TV361

Årsrapport för mindre avloppsreningsverk

Och vad händer sedan?

TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening - 1RT361

Dricksvattenkvalitet Karlstad, Alster, Skattkärr och Väse

Dricksvattenkvalitet och distribution

Contracting division of Läckeby Water Group. Anaerob behandling av industriella avloppsvatten Daniel Ling 27 Januari 2011

Kan mikrobiell elektrokemi tillämpas inom avloppsvattenrening?

Tema A Dagvattenkvalitet från regn till recipient. Godecke Blecken Tekn dr, Forskarassistent Stadens vattensystem/va-teknik LTU

Bilaga 1. Teknisk beskrivning av. Tångens avloppsreningsverk H2OLAND. Mark de Blois/Behroz Haidarian

Metaller i fällningskemikalien järnsulfat

MEMBRANTEKNIK FÖR URAN OCH RADIOAKTIVT VATTEN

TN LR TT mg/l N b) 2,6-Dimethylphenole

Aerob och anaerob elektrontransport (Alberts kap. 14 och Madigan kap. 17)

The test can be performed on the following devices. In addition, the required cuvette and the absorption range of the photometer are indicated.

Teoretisk sammanställning av studier kring lustgasemissioner från avloppsreningsverk RAPPORT. För Svenskt Vatten Utveckling

Vatten och avlopp i Uppsala. Av: Adrian, Johan och Lukas

PRISLISTA VA Kvalitetskontroll

Provtagning i vatten. Jens Fölster Inst. För vatten och miljö, SLU

Effektiv onlinemätning ger energibesparingar och minskade utsläpp

Country report: Sweden

Kombinera skivfilter med kemisk fällning. Pille Kängsepp

SEKAB IN SHORT. SEKAB: Founded: Head quarter: Turn over 2010: Employees: Owners: Outsourcing:

Transkript:

Microbiology in activated sludge processes Sara Hallin SLU Sara Hallin

Wastewater treatment Historically. Sanitation problems 1850-1930 Environmental problems 1930-2000 Recycling 2000- 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)

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.

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.

Life on earth

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

Metabolism

Aerobic respiration

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

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).

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 +

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 4 3- +NO 3 - Anabolism Biomass Waste

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

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

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

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

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

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

Carbon metabolism Cell constituents Growth

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

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

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

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

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

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

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 2 0 + NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2

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

Efterdenitrifikation för biologisk kväveavskiljning Fördenitrifikation för biologisk kväveavskiljning

Nitrogen reduction (%) Denitrification rate (mg N 2 O-N g -1 VSS h -1 ) Effekt av extern kolkälla på kvävereningen a 100 1. Kvävereningsgrad (%): 2. Denitrifikastionskapacitet: b 15 80 E 60 E 10 40 5 20 R R 0 0 10 20 30 40 50 60 Time (days) Tid (dagar) 0 0 10 20 30 40 50 60 Time (days) Tid (dagar) R = Fördenitrifikation utan extern kolkälla E = Fördenitrifikation med etanoltillsats

Intermittent dosering av etanol i en fördenitrifikationsprocess

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)

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 4+ + 3NO 2-4N 2 + 6H 2 O + 2H + The organisms grow autotrophically using CO 2.

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

Water-flow paths

Denitrification rates Multiple regressions: PDA 4 0.13 1.11 2.3 10 T R CN

Plants affect denitrification µg N/g DW/h

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

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 4 3-. Consumption of stored products (PHB).

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

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

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

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.

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

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

Exempel på slamsvällning

Filamentous bacteria ( Microthrix parvicella ) in activated sludge flocs

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

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

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

Filamentbildande mikroorganismer i aktivslamflockar

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.

Minskad filamenthalt efter ozonbehandling Total Filament Growth Extended Filament Growth 6 Control Experimental 6 Control Experimental 5 5 4 Jenkins Scale 4 3 Jenkins Scale 3 2 2 1 1 0 Aug Sep Oct Nov Dec Jan Sep Oct Nov Dec Jan

Bättre slamkvalitet oförändrad N-rening efter ozonbehandling SQI NH4 After Final Settler 600 500 Control Experimental 4,0 3,5 Control Experimental 3,0 400 2,5 ml/g 300 mg/l 2,0 200 1,5 1,0 100 0,5 0 Sep Oct Nov Dec Jan Feb 0,0 Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb