Rensning af byspildevand med alger efterår 2012

Transkript

1 Rensning af byspildevand med alger efterår 2012 Udført under Grønt Center projektet: AlgeinnovationscenterLolland (AIC) Malene L. Olsen og Marvin Poulsen Indledning Alger har i de senere år fået massiv opmærksomhed, idet de potentielt kan anvendes som alternativ løsningsmodel i en lang række sammenhænge. Der er især fokus på brugen af alger til produktion af biodiesel og kosttilskud. Også inden for spildevandsrensning har man fået øjnene op for mulighederne i at bruge alger, og i særdeleshed mikroalger, som et redskab. Anvendelsen af mikroorganismer til spildevandsrensning er langt fra noget nyt, da den biologiske del af processen i dag sker bakterielt - og med gode resultater til følge. Eller rettere: gode resultater, hvis målet isoleret set er at fjerne næringsstoffer og opnå en effektiv rensning af spildevandet. Processen er knap så optimal, hvis man ser på det faktum, at den kræver store mængder energi for at kunne fungere. Hertil kommer, at der samtidig sker et tab af dyrebare næringsstoffer. Formål Denne rapport, som er udarbejdet på Grønt Center under projektet Algeinnovationscenter Lolland, belyser potentialet i at anvende mikroalger til rensning af spildevand. Arbejdet har haft til formål at synliggøre de fordele og integrerede løsningsmodeller som man på Grønt Center ser for samfundet og miljøet i fremtiden, forudsat at algers potentiale bliver anvendt i de rette sammenhænge. Baggrund På konventionelle renseanlæg består behandlingen af spildevand typisk af følgende trin; mekanisk rensning, biologisk rensning, kemisk rensning samt efterklaring. Den biologiske del af rensningen af spildevand foregår i dag ved fjernelse af kvælstof og fosfor, samt organiske indholdsstoffer, ved hjælp af biologiske filtre og slamanlæg. Biologiske filtre består af stenskærver belagt med forskellige bakterier, der danner en biofilm på skærverne. Dette resulterer i en enorm, biologisk aktiv overflade. Under iltholdige forhold nedbryder bakterierne i biofilmen de organiske stoffer i spildevandet. Endvidere omdannes ammonium trinvist til nitrat, i en proces kaldet nitrifikation. Herefter overføres spildevandet til et iltfrit slamanlæg. Under den iltfrie del af den bakterielle rensning (kaldet denitrifikation) mistes store mængder af frit kvælstof til atmosfæren. 1

2 En ulempe ved den traditionelle rensningsproces er, at den aerobe del behøver en udefrakommende ilttilførsel for at kunne forløbe. Dette kræver store mængder energi, som står for størstedelen af udgifterne ved rensningsprocessen. Der fjernes desuden en del fosfat under den biologiske del af rensningsprocessen. Fosfat udgør dog et mindre problem end kvælstof, idet det let kan fjernes fra spildevandet ved udfældning. Man kan tænke sig, at tilsætning af alger til spildevandet vi kunne skabe en optimeret rensningsproces. Kombinationen af alger og bakterier i spildevandet vil kunne betyde, at der skabes grundlag for en form for symbiose, hvor alger og bakterier forsyner hinanden med hhv. ilt og CO 2. I takt med at algerne vokser, vil de anvende næringsstofferne i spildevandet og indbygge dem i deres celler. Ved høst af algebiomassen vil man kunne genvinde disse næringsstoffer til eksempelvis gødning. Samtidig vil der være mulighed for at fermentere algebiomassen i et biogasanlæg. I teorien vil dette betyde, at anvendelse af alger til spildevandsrensning vil kunne ændre en renseproces, der i dag kræver tilførsel af energi til at ende ud med en proces, der ikke bare er energineutral, men ligefrem kan skabe energi. Forsøgsopstilling Forud for forsøgets start har man, på Søllested renseanlæg, dyrket alger i spildevand i over et år. På denne måde er der opnået en algesammensætning, som er tilpasset de fysiske og kemiske forhold, der gør sig gældende i spildevand. Denne selektion af alger imødekommer de problemer, der ellers ville opstå ved anvendelse af en utilpasset algekultur. Forsøgsopstillingen, som er sat op på Søllested renseanlæg, består af åbne kar med en overflade på 2x2 meter og en dybde på ca. 30 cm. Forsøget startes den 26. oktober 2010 og løber indtil den 7. december samme år. Forsøget opstartes ved, at to kar kaldet S1 og S3 (dobbeltbestemmelse) indeholdende den tilpassede algekultur tilføres spildevand ad én omgang. Herefter står blandingen og recirkulerer vha. en pumpe. Under forsøget bliver der løbende moniteret en lang række parametre; temperatur, ph-værdi, lysintensitet, og CO 2 - indhold. Der udtages hver dag prøver til bestemmelse af kvælstof og fosforindhold. Under forsøget er algernes vækst udelukkende baseret på det sollys der er til rådighed, næringsstofferne i spildevandet, CO 2 fra atmosfæren og det der måtte dannes ved bakteriel respiration i spildevandet. 2

3 Figur 1: Forsøgsopstillingen på Søllested Renseanlæg med de to kar med spildevand tilsat alger. Spildevandet der anvendes er forud for forsøget renset mekanisk dvs. grov rensning gennem riste og derefter overført til et sandfang, hvorfra det er blevet udtaget til forsøget. På denne måde indeholder spildevandet stadig uformindskede mængder organisk materiale og næringssalte, som skal fungere som medie til algernes vækst, og samtidig gives et realistisk billede af algernes rensningskapacitet. Resultater Tabel 1: Samlet resultatoverblik Startværdi Slutværdi total kvælstof Kar mg/l 1.4 mg/l Kar mg/l 1.0 mg/l ammonium Kar mg/l 0 mg/l Kar mg/l 0.1 mg/l fosfor Kar mg/l 1.3 mg/l Kar mg/l 0.8 mg/l CO 2 Kar mg/l 0.3 mg/l Kar mg/l 0.4 mg/l ph-værdi Kar Kar OD 665nm Kar Kar

4 Kvælstofindhold: Ved forsøgets start var den totale koncentration af kvælstof på mg/l, Tabel 1. Sammenligner man Figur 1 og Figur 2 ses det, at stort set alt kvælstoffet eksisterer på ammoniumform. Cirka 25 døgn efter forsøgets start er kvælstofindholdet i spildevandet, i begge kar, reduceret til under 1 mg/ml. Figur 1: koncentration af kvælstof i spildevandet som funktion af tiden. Figur 2: Koncentration af ammonium i det filtrerede spildevand. 4

5 Fosforindhold: Da forsøget indledes måles fosforindholdet til 3.0 og 2.7 mg/l for hhv. kar 1 og kar 2. Herefter falder koncentrationen støt, frem til forsøgets afslutning, hvor koncentrationen af fosfor i de to kar er reduceret til hhv. 1.3 og 0.8 mg/l, Figur 3. Figur 3: Fosforkoncentrationen i det filtrerede spildevand som funktion af tiden. CO 2 indhold: Startkoncentration af CO 2 i spildevandet blev målt til 9.7 og 8.0 for de to kar. På forsøgets femte dag falder CO 2 -koncentration og efter en måned og frem til forsøgets afslutning er CO 2 -koncentrationen konstant under 0.3 mg/l. Figur 4: CO 2 koncentrationen i spildevandet målt henover forsøgsperioden. 5

6 Figur 5: Udviklingen af spildevandets hårdhed som funktion af tiden. ph-værdi: Ved forsøgets start måles ph i spildevandet til lige omkring 8 og i løbet af forsøgsperioden ses en stigning af ph-værdien, som ender på 9.5 og 9.8 for kar 1 og kar 2 hhv. ved forsøgets afslutning, Figur 6 ph-værdien i spildevandet stiger, idet algernes fotosyntese forbruger bicarbonat og dermed forskyder bufferbalancen mellem kulsyre, bicarbonat og carbonat således at CO 2 indholdet i vandet forbruges så der dannes mere kulsyre, Boks 1. Forbruget af bicarbonat afspejles også i figur 5, der viser hårdheden af spildevandet, som falder fra 22 dh (hårdt) ved forsøgets start ned til 8-12 dh (middel hårdt) ved forsøgets afslutning. 6

7 Boks 1: Buffersystem i vand: Kulsyre bicarbonat carbonat H 2 CO 3 HCO 3 - Lav ph-værdi CO 3 2 høj ph-værdi Når ligevægten i buffersystemet forskydes mod højre forbruges CO 2 til at danne mere kulsyre: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 Figur 6: Variationen af spildevandets ph-værdi som funktion af tiden. Iltmængde og lysintensitet: Ved forsøgets start ligger iltniveauet i spildevandet på omkring 10 % for begge kar. De følgende 10 dage sker der en jævn stigning i vandets iltprocent, som følge af akkumulering af algebiomasse. Herefter er niveauet nogenlunde stabilt med undtagelse af den forventede variation i løbet af et døgn, der skyldes algernes fotosyntese om dagen og respiration om natten. Sammenholdes iltniveauet i vandet med lysintensiteten under forsøgsperioden ses det, at lyset skal være meget sparsomt for at påvirke fotosynteseraten, hvilket ses i form af en midlertidigt nedsat iltproduktion, figur 7. 7

8 Figur 7: Samlet oversigt over ilt og lysforhold i forsøgsperioden. Optisk densitet: Den optiske densitet (OD) ved 665 nm er, til at begynde med, på ca for begge kar, Figur 8. Efter et kort dyk stiger OD frem til d. 27. november altså ca. en måned inde i forsøget, hvor kurven flader ud ved en værdi på Sammenholdes denne aftagende stigning i absorbans med ammonium koncentrationen i spildevandet (figur 2) er det nærliggende at antage, at algernes tilvækst aftager som følge af næringsmangel. Figur 8: Algernes vækst fortolket ud fra den optiske densitet af spildevandet som funktion af tiden. 8

9 Temperatur: Da forsøget blev sat op lå dagstemperaturen på ca. 10 C. De første fem dage steg temperaturen op til 13 C. omkring den 10. november falder temperaturen kraftigt ned til omkring frysepunktet, hvorefter der igen, langsomt, bliver varmere frem til forsøgets afslutning, hvor vi ender på en dagstemperatur på ca. 7 C, Figur 9. Figur 9: Temperaturkurve over forsøgsperioden. Sammenfatning Vores resultater viser med al ønskelig tydelighed, at der på flere punkter eksisterer et stort potentiale i algebaseret bioremediering. Især resultaterne for kvælstof, hvor der sker en total fjernelse vha. optagelse i algerne, må siges at tale for anvendelsen af alger til spildevandsrensning. På trods af, at CO 2 -koncentration i spildevandet falder hurtigt og indstiller sig på et konstant minimum ses der en fortsat vækst af alger. Da der under forsøget ikke tilsættes CO 2 til spildevandet, kan dette indikere, at der foregår et samspil mellem alger og bakterier, hvor algerne forsynes med CO 2 fra bakteriernes respiration, men dog ikke i højere grad end at dette forbruges i takt med at den dannes. Fremtidige forsøgsdesign bør inkludere en løbende tilsætning af CO 2 til spildevandet for at kunne vurdere indflydelsen på algernes vækst og rensningsprocessens effektivitet og varighed. Det har været interessant at erfare, at hverken temperaturen eller lysforholdene på disse breddegrader har hindret algerne i at vokse og rense spildevandet i dette forsøg. Ved at stille nye forsøg op i en sommerperiode, vil man på flere punkter kunne optimere vækstbetingelserne for algerne. Det vil være spændende at undersøge, hvor effektivt rensningsprocessen kan forløbe når de abiotiske faktorer som lys 9

10 og temperatur optimeres. Det må dog forventes, at der i denne situation kan opstå nye udfordringer, så som problemer med fotoinhibering, overophedning og virusangreb. Som følge af algernes vækst sker der en markant forøgelse af ph-værdien i mediet de vokser i. Under disse forsøg endte ph-værdien på 9.5 og 10. Det er ikke unormalt at se ph-værdier helt oppe over 11 i mediet, når man dyrker visse former for alger. I laboratoriet har vi bl.a. set arter af grønalgen Scenedesmus komme op over ph 11. De høje ph-værdier medfører en reduktion af væksten af human-patogene bakterier. Som eksempel har tarmbakterien E. coli svært ved at leve i medier med en ph-værdi på over 9. Da spildevand indeholder en lang række uønskede, human-patogene bakterier bør algernes antiseptiske effekt på spildevandet undersøges nærmere. Da dette arbejde har været en indledende undersøgelse, har det været nødvendigt med et forsøgsdesign, der gjorde det muligt at opnå et overblik. Eksempelvis er spildevandet blevet behandlet i lukkede systemer for at begrænse mængden af variable parametre. En videreudvikling af forsøgsopstillingen kunne med fordel bestå i udarbejdelse af et dynamisk system med et konstant flow af spildevand til og fra algetanken. Endvidere kunne det være interessant, at identificere sammensætningen af de mikroalger, der indgår i kulturen. På denne måde ville det være muligt at udvælge og isolere algekulturer, der er optimalt egnede til spildevandsrensning. Perspektivering For at se det store perspektiv i den algemedierede kvælstofoprensning kan man træde et skridt tilbage og betragte kvælstofkredsløbet som en helhed. Når man befinder sig på et rensningsanlæg opfattes kvælstof som en forurening, der skal fjernes før vandet kan ledes videre til recipienten. Som tingene ser ud på et traditionelt rensningsanlæg i dag så løser man dette problem ved, ikke blot at fjerne kvælstoffet, men ved ligefrem ved at få det til at forsvinde tilbage op i atmosfæren. Når kvælstof skal gøres tilgængeligt som gødning tager man udgangspunkt i det frie kvælstof i atmosfæren. Haber-Bosch er navnet på den industrielle proces, hvorved kvælstof fra atmosfæren omdannes til flydende ammoniak. Her er tale om en enestående proces der, i den grad, har revolutioneret verden ved at skabe grundlaget for det befolkningsantal man ser på jorden i dag. Skal man nævne en ulempe må det den energimængde processen kræver - den står nemlig for over 1 % af verdens samlede energiforbrug. Hertil kommer en enorm CO 2 udledning på omkring 43 millioner ton om året. Med disse tal i tankerne kan man spørge sig selv, om man ikke burde løse problemer med kvælstofforurening, i så vid udstrækning som muligt, ved at opsamle og genanvende dette værdifulde næringsstof? Hermed er det ikke sagt, at alger vil kunne erstatte den industrielle fiksering af kvælstof men det giver god mening at udnytte det tilgængeliggjorte kvælstof så effektivt som muligt, med store økonomiske og miljømæssige gevinster til følge. Den bakteriehæmmende effekt som algevæksten tænkes at have på spildevandet, kan vise sig at være af stor betydning. Det er især i de dele af verden, hvor man ikke har en alternativ teknologi ved hånden, at denne positive effekt kan vise sig at få afgørende betydning. 10

11 Det er altså tydeligt, at der er et enormt potentiale i algebaserede løsningsmodeller som alternativ spildevandsrensning.. Der er dog en del problemer, der skal løses før der rigtig kan rykkes inden for feltet. For at opnå en optimal proces skal algerne kunne fjernes fra mediet med en kapacitet, der kan følge med deres vækst. Derfor skal der fokuseres på udvikling af selve høsten af algerne, da dette bl.a. har afgørende betydning for om alger vil kunne anvendes til rensning af i praksis. Ud fra indledende forsøg med algehøst på Grønt Center vil et lovende bud være at man tager udgangspunkt i et ultrafilter af høj kapacitet til opkoncentrering af det algeholdige spildevand med efterfølgende centrifugering. Dette er dog et helt andet forsøg, der arbejdes på i en særskilt del af algeinnovationsprojektet. 11