Autoři
Vojtěch Kouba, Eva Proksová, Dana Vejmelková, Lucie Chovancová, Jakub Hejnic, Pavel Jeníček, Jan Bartáček
Klíčová slova
nitritační bakterie – nitratační bakterie – splašková odpadní voda – nízká teplota – odstraňování dusíku
Částečná nitritace-anammox má potenciál odstranit dusík ze splaškové odpadní vody se sníženou spotřebou organického substrátu a kyslíku oproti nitrifikaci-denitrifikaci, což umožní účinnější recyklaci energie na ČOV psychrofilním anaerobním předčištěním. Splašková odpadní voda má ale nízkou teplotu (< 20 °C) a s nižší teplotou je dle literatury obecně zvýhodněn růst nežádoucích nitratačních mikroorganismů (NOB) oproti žádoucím nitritačním mikroorganismům (AOB). Abychom ověřili možnost zapracovat částečnou nitritaci i za 15 °C, v laboratoři jsme provozovali nitrifikující kal v semikontinuálním reaktoru s interaktivně přerušovanou aerobní fází cyklu. Substrátem byla splašková odpadní voda po psychrofilním anaerobním předčištění. Za těchto podmínek byl nitritační reaktor zapracován již po 9 dnech (ΔNamon = 84 %, N-NO2–/Namon = 5). Zkušenosti z této práce jsou důležitým krokem pro účinnější recyklaci energie na ČOV.
Úvod
Vzhledem ke tlaku na snížení provozních nákladů a environmentálního dopadu ČOV je třeba uvést do praxe nové koncepty čištění odpadních vod. Koncept nízkoenergetického čištění odpadních vod je založen na odděleném odstraňování organického znečištění a dusíku. V prvním kroku tohoto konceptu je splašková odpadní voda předčištěna v anaerobním membránovém reaktoru v psychrofilním režimu, čímž dojde k odstranění CHSK a nerozpuštěných látek [1]. Z anaerobně předčištěné splaškové odpadní vody je poté pomocí nitritace-anammox odstraněn dusík. Výhodou nitritace-anammox oproti konvenční nitrifikaci-denitrifikaci je nižší spotřeba energie na aeraci pro odstraňování dusíku (cca 50 %), spotřeba organického substrátu na denitrifikaci (až 100% úspora) a snížená produkce přebytečného kalu.
V nitritaci-anammox nitritační mikroorganismy (AOB – Ammonium Oxidizing Bacteria) oxidují za přítomnosti kyslíku polovinu amoniakálního dusíku na dusitany (rovnice 1). Mikroorganismy anammox (anammox = anaerobic ammonium oxidation) pak využijí dusitanový dusík jako akceptor elektronů při oxidaci zbylého amoniakálního dusíku na plynný dusík (rovnice 2) [2]. Pro funkci nitritace-anammox je nezbytné zamezit aktivitě nitratačních mikroorganismů (NOB – Nitrite Oxidizing Bacteria), které soutěží o dusitanový dusík s mikroorganismy anammox (rovnice 3). Toho je relativně snadné dosáhnout při úpravě teplých (25–35 °C) a koncentrovaných (Namon 500–1000 mg·l-1) kalových vod s nízkým obsahem nerozpuštěných látek [3]. V hlavním proudu splaškové odpadní vody na ČOV je ale nejen nižší koncentrace Namon (20–100 mg·l-1), která zeslabuje inhibici NOB meziprodukty nitrifikace [4], ale navíc i nižší teplota 10–20 °C zvýhodňující růst NOB oproti AOB [5]. Na tyto podmínky (12 °C, reálná odpadní voda) se v poslední době podařilo nitritaci optimalizovat, a to v semi-kontinuálním reaktoru (SBR) s interaktivně přerušovanou aerobní fází cyklu a obohacenou kulturou AOB jako inokulem, čímž bylo dosaženo dlouhodobého stabilního provozu a vysokého odstraněného zatížení [6].
Abychom nově vyhodnotili možnosti zapracování nitritačního reaktoru za podobně nízkých teplot, v této práci jsme suspenzní nitrifikující kal provozovali v SBR s interaktivně přerušovanou aerobní fází cyklu za 15 °C. Klíčovými sledovanými parametry byla akumulace dusitanového dusíku na odtoku z reaktoru, aktivita AOB a NOB. Dále jsme vyhodnotili složení mikrobiální kultury.
Metodika
Reaktor
Experimenty byly provedeny v laboratorním SBR o efektivním objemu 0,95 l. Reaktor byl osazen míchadlem, aeračním elementem a sondou Hamilton VisiFerm DO Arc 120. Tato sonda byla připojena k řídícímu modulu Compact RIO se softwarem LabVIEW (National Instruments, US). Koncentrace rozpuštěného kyslíku byla udržována na 3., mg·l-1 pomocí PID kontroléru upravujícím dávkování vzduchu dle aktuální spotřeby kyslíku s přesností ± 0,1 mg·l-1. Jeden cyklus SBR se skládal z odčerpání kapalné fáze, načerpání přítoku, aerobní fáze (interaktivně ukončované) a sedimentace (1,5 h). Teplota byla nastavena na 15 °C. Inokulace byla provedena plně nitrifikujícím kalem z ÚČOV v Praze. Strategie interaktivně ukončovaného cyklu byla aplikována po dvou dnech provozu aerobní fází cyklu fixně nastavenou na 10 h.
Interaktivní ukončení aerobní fáze cyklu spočívalo v průběžném vyhodnocení maximální rychlosti spotřeby kyslíku v průběhu cyklu, a ukončení cyklu v momentě, kdy tato rychlost klesla pod 80 % maximální hodnoty.Odpadní voda
Jako substrát do SBR byla použita splašková odpadní voda z ÚČOV v Praze po předčištění v laboratorním anaerobním reaktoru se vzestupným tokem (UASB), provozovaném v psychrofilním režimu. Detailní provozní parametry UASB jsou popsány v Hejnic, Dolejs [1]. Odtok z UASB byl uskladňován za laboratorní teploty v nádobě s průměrnou dobou zdržení 8 dní. Nejdůležitější parametry této anaerobně předčištěné splaškové odpadní vody byly: 49 ± 3 mg·l-1 Namon, 97 ± 13 mg·l-1 rozpuštěné CHSK, 148 mg·l-1 celkové CHSK, 73 mg·l-1 nerozpuštěných látek a alkalita 8,6 mmol·l-1 HCO3-. Tyto parametry se shodují s údaji dostupnými v literatuře [7]. Hodnota pH na přítoku do reaktoru měla průměrnou hodnotu 8,3.
Mikrobiální analýza
AOB a NOB v suspenzním kalu byly identifikovány Fluorescenční hybridizací in situ (FISH). Fixace a hybridizace byla provedena dle [8]. Pro identifikaci nejčastějších AOB a NOB byly použity specifické sondy: Nso190 a Nso1225 (AOB Betaproteobakterie), NEU+kompetitor (halofilní a halotolerantní Nitrosomonas spp.), Cluster6a+kompetitor (rod Nitrosomonas oligotropha), Ntspa662+kompetitor (druh Nitrospira), Ntspa712+kompetitor (kmen Nitrospirae), NIT3+kompetitor (Nitrobacter spp.), NTG840 (Nitrotoga arctica). Všechny sondy byly označeny barvivem Cy3. Sondy Nso190 a Nso1225 byly aplikovány společně. Ntspa662, Ntspa712 a korespondující kompetitory byly použity společně jako Ntspa mix. Veškeré mikroorganismy byly identifikovány fluorescenčním barvivem DAPI naneseným na hybridizované buňky (1 μg·ml-1, 15 min). Hybridizované vzorky byly následně uchyceny v médiu Vectashield a analyzovány pod epifluorescenčním mikroskopem Olympus BX51 se 400x zvětšením.
Analytické metody
Vzorkování a stanovení jednotlivých anorganických forem dusíku a gravimetrického stanovení sušiny bylo prováděno standardními metodami. Analýza CHSK byla prováděna modifikovanou semimikrometodou [9].
Výsledky
Aplikace strategie interaktivně přerušovaného cyklu vedla k okamžité akumulaci dusitanů (obr. 1). Již 9 dní po aplikaci této strategie tvořily dusitany 85 % oxidovaných forem dusíku na odtoku za současné konverze Namon 84 % (odtokové koncentrace 33 mg N-NO2- · l-1, 5,8 mg N-NO3- · l-1, 7,4 mg Namon · l-1). Podobných odtokových poměrů bylo dosaženo po následujících 20 dní. Po té době došlo z důvodu rozpadu vloček kalu k vymytí aktivních mikroorganismů z reaktoru.
Specifická aktivita AOB i NOB se po 9 dnech snížila, přičemž aktivita NOB byla o 84 % nižší než aktivita AOB (AOB – 0,08 kg Namon·kg NLzž-1·d-1 a NOB – 0,013 kg-Namon·kg NLzž-1·d-1) (obr. 1).
Obr. 1. Koncentrace jednotlivých forem anorganického dusíku na přítoku a odtoku a vývoj specifické aktivity AOB a NOB v nitritačním SBR za teploty 15 °C
Průběh reakční kinetiky před aplikací strategie interaktivně ukončovaného cyklu je vyobrazen na obr. 2, den –4. Do 6. hodiny od začátku cyklu dochází k akumulaci dusitanového dusíku.
Obr. 2. Vývoj koncentrací jednotlivých forem dusíku, rychlosti spotřeby kyslíku (OUR), pH, volného amoniaku (FA) a volné kyseliny dusité (FNA) v průběhu cyklu ve dnech -4, 2 a 12. Přerušovaná čára indikuje 80 % spotřebu kyslíku (OUR), moment vhodný pro ukončení cyklu
V momentě vyčerpání Namon a dusitanového dusíku pozorujeme významný pokles rychlosti spotřeby kyslíku. Hodnota pH klesá z počátečních 8,1 na konečnou hodnotu 7,3. Koncentrace FA klesá z počáteční hodnoty 1,2 mg·l-1, přičemž koncentrace FNA roste až na 0,0016 mg·l-1. Po aplikaci strategie interaktivně ukončovaného cyklu v následujících dnech 2 a 12 pozorujeme vyšší počáteční koncentraci Namon (37,3 a 39 mg Namon·l-1 oproti 28 mg Namon·l-1 v den -2). Interaktivní ukončení aerobní fáze cyklu (80 % maximální rychlosti spotřeby kyslíku) vedlo ke konečným koncentracím 16,5 mg N-NO2–·l-1 a 2,3 mg Namon·l-1 v den 2, a 33 mg N-NO2–·l-1 a 7,4 mg Namon·l-1 v den 12. Ve dnech 2 a 12 pozorujeme počáteční koncentrace FA 2,5 a 2,2 mg·l-1 a koncentrace FNA na konci cyklu 0,01 mg·l-1. Hodnota pH ve dnech 2 a 12 klesala z 8,3 na 7,1, respektive z 8,2 na 7,7.
Mikrobiální charakterizace suspenzního kalu
Ve vzorku ze dne 4 (obr. 3) z AOB převládaly Nitrosomonas oligotropha.
Obr. 3. Velké kompaktní klastry Betaproteobakterií AOB (sonda NSO mix), z nichž 90 % tvořily Nitrosomonas oligotropha (sonda Cluster6a) – A. Velké klastry Nitrospira (sonda Ntspa mix) – B. Malé klastry Nitrotoga arctica (sonda NTG840) – C. Specifické sondy jsou zbarvené růžově barvivem Cy3. Veškeré mikroorganismy jsou označené barvivem DAPI (modrá) dne 4
Zároveň jsme identifikovali i menší množství halofilních a halotolerantních Nitrosomonas (tab. 1). Ze zástupců NOB jsme zjistili přítomnost Nitrospira a menší množství Nitrotoga arctica.
Tab. 1. Shrnutí identifikace zástupců AOB a NOB analýzou FISH ve vzorku nitritačního SBR provozovaném při teplotě 15 °C. % pokryvu plochy z plochy celkové biomasy; + …jen volné buňky nebo nejvýše jeden klastr; ++(+) …klastry v celém vzorku s vysokou hustotou signálu (obrovské klastry)
Diskuse
Tato studie ukazuje úspěšné zapracování nitritačního SBR upravující splaškovou odpadní vodu po anaerobním předčištění o teplotě 15 °C díky interaktivnímu ukončování aerobní fáze cyklu již po devíti dnech. Poměr koncentrací N-NO2–/Namon na odtoku byl 5. Stechiometrický poměr N-NO2–/Namon 1,32 vhodný pro následný anammox [10] lze získat naředěním odtoku z nitritačního SBR surovou splaškovou odpadní vodou po anaerobním předčištění.
V této práci jsme konec aerobní fáze SBR cyklu identifikovali poklesem rychlosti spotřeby kyslíku na 80 % maximální hodnoty.
Po úspěšném zapracování je pro dlouhodobé udržení nitritace klíčová strategie pro nastavení vhodného stáří kalu, respektive omezení nadměrného vymývání aktivní biomasy odtokem. Jednou z možností je zlepšení separačních vlastností kalu dávkováním FeCl3 [6].
Závěr
Tato studie demonstruje úspěšné zapracování nitritačního reaktoru při 15 °C. Po optimalizaci separace kalu z odtoku podobně jako u Kouba, Marková [6] bude proto možné nitritační reaktor zapracovat a dlouhodobě provozovat pro úpravu studené splaškové odpadní vody po anaerobním předčištění. V delším horizontu proto tato práce umožní účinnější recyklaci energie na ČOV.
Poděkování
Tento výzkum byl financován z výzkumného záměru MSM 6046137808. Financováno z účelové podpory na specifický vysokoškolský výzkum (MŠMT č. 20-SVV/2016).
Literatura/References
[1] Hejnic, J., et al., Anaerobic Treatment of Wastewater In Colder Climates Using UASB Reactor and Anaerobic Membrane Bioreactor. Environ Eng Sci, 2016. 33(11): p. 918–928.
[2] Strous, M., et al., The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms. Appl Microbiol Biot, 1998. 50(5): p. 589–596.
[3] Lackner, S., et al., Full-scale partial nitritation/anammox experiences – An application survey. Water Res, 2014. 55: p. 292-303.
[4] Kouba, V., et al., The impact of influent total ammonium nitrogen concentration on nitrite-oxidizing bacteria inhibition in moving bed biofilm reactor. Water Sci Technol, 2014. 69(6): p. 1227–33.
