Microbiology in activated sludge processes Sara Hallin Dept. Forest Mycology and Plant Pathology 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.
Activated sludge processes Aeration basin and settling tank. The concept: 1. Microorganisms (biomass) grow in the aeration tank and degrade organic matter while consuming oxygen. 2. The retention time for microorganisms exceed that for the sewage Floc formation is essential for settling. Nitrogen removal: Biological Phosphorus removal: Chemically or biologically.
Microorganisms in activated sludge processes Microorganisms are the activated sludge process! Bacteria, archaea, fungi, viruses, protozoa, algea and metazoa Microorganisms enter the treatment plant from the sewage system.
Origins of microbial diversity Prokaryotes Eukaryotes Cyanobacteria, O 2 in atmosphere Algae Oxidized forms ozone layer Plants & Animals 4 3 2 1 0 Billion years from now Mo s have much longer evolutionary history Initially access to all habitats on Earth Survived the largets span of conditions Short generation times Inter-species gene transfer
Cyanobacteria
Origins of microbial diversity Introduction of O 2 major revolution: more oxidized forms formation of ozone layer terrestrial habitats! Mo s altered Earth More niches were created increased diversity
Prokaryotes
Prokaryotes (Bacteria and Archaea) Prokaryotes are single celled organisms that do not have a nucleus, mitochondria or any other membrane bound organelles. Everything is openly accessible within the cell, some free floating, some bound to the cell membrane
Evolution and systematics Domain Class Order Family Genera Species
BACTERIA 1987: 12 phyla 1999: 36 phyla 2008 40 phyla
All bacterial genomes 2012 (#17 233) 5 500 species
Metabolism
All organisms Chemical energy Light energy Chemotrophs Phototrophs Litotrophs Organotrophs Heterotrophs Autotrophs Autotrophs Mixotrophs
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 NADH NAD + Laktat Pyruvat AcCoA ATP Acetaldehyd NADH NAD + Etanol Acetate O 2 H 2 0 +
Biochemical events in an activated sludge process 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
Traditional activated sludge processes Organic matter is degraded by microorganisms in an aerated basin. The sludge (biomass and organic/inorganic material) is separated from the treated water in the settling tank by gravimetric sedimentation. Sludge is recycled to the aeration basin so that the sludge retention time (SRT or sludge age) exceeds the hydraulic retention time (HRT).
Sedimentering Flocken är fundamentet i aktivt slam. Snabb och effektiv sedimentering Icke sedimenterbara partiklar adsorberas 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.
Exempel på slamsvällning
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
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
Slamvolymindex (SVI) SVI = 1000 slamvolym( SV) susphalt. ( SS)
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
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
Microthrix parvicella Type 021N
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
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