Membranbioreaktorer för avloppsrening drabbas ofta av beläggningar, fouling. Här görs en litteraturgenomgång över möjligheter att reducera foulingen på biologisk väg.
Av: Jörgen Hanaeus
Beläggningar på membranytor är svårt att undvika vid avloppsrening och orsakar höga drifts- och underhållskostnader. Hittills har rengöringen skett med fysikaliska och kemiska metoder som är kostsamma och inte alla miljövänliga.
Därför finns ett intresse av att kunna tillämpa biologiska metoder. Inga erfarenheter har meddelats från praktisk drift, men föreliggande litteraturgenomgång ger uppslag till processer som på biologisk väg kan begränsa foulingen. Sju olika ingångar presenteras.
Bakgrund
Traditionell aktivslamrening har en svaghet i separationen av partiklar från vattnet vilket stimulerat intresset för den noggranna avskiljning som sker med membran. Membranbioreaktorn ger förutom god avskiljning en god kvalitet på behandlat vatten, medger hög organisk belastning och förbättrad nitrifikation. Membran väljes ofta med en porstorlek 0,01-1 µm och tekniken har utvecklats under de senaste 30 åren. I slutet av år 2020 fanns mer än 100 000 artiklar publicerade om ämnet och antalet patentpublikationer har vuxit exponentiellt.
Många fördelar finns med tekniken, men ett svårpasserat hinder är bildningen av beläggningar; fouling. Hittills har fysikalisk-kemiska metoder använts för rengöring, som inte blivit komplett trots kostsamma och arbetskrävande insatser. Därför riktas intresset nu mot biologiska metoder och flera vägar föreslås, men är ännu oprövade. Detta är en litteraturstudie över sådana vägar inkluderande för- och nackdelar.
Fouling
Membranfouling orsakas av komplexa fysiska och kemiska interaktioner mellan de olika komponenterna i vätskeflödet och mellan dessa komponenter och membranytan. Foulingen kan indelas i fyra områden: 1) organisk fouling, som främst orsakas av organiskt material i systemet, såsom polysackarider, proteiner och humusämnen; 2) oorganiska ämnen, främst metallsalter som kalciumkarbonat och kalciumsulfat; 3) kolloid fouling från små partiklar i storlek från några nanometer till några mikrometer; 4) biofouling, som i huvudsak innebär att bakterier fäster på membranytan och även binder till annat material.
I fortsättning fokuseras på biofoulingen, som är den största och svåraste foulingen. Den kan indelas i:
Bildning av ”conditioning film”. Organiskt material adsorberas på membranytan och bildar en film som innehåller makromolekyler och kan tillåta att bakterier adsorberas.
Supenderade bakterieceller transporteras fram till filmen och vidhäftar.
Bakterierna producerar extracellulära polymera substanser (EPS) och löst material från ämnesomsättningen (SMP).
Cellseparation. Färdiga celler avskiljs från biofilmen och stimulerar bildning av biofilm på andra positioner.
Filmens ytkarakteristika utgör en första, viktig faktor för fortsatt biofouling (hydrofobicitet, z-potential, ytråhet). Nästa faktor är drifteffekter som hydraulik och luftning. En tredje faktor utgörs av vilka mikroorganismer som finns i membransystemet.
Bildningen av EPS och SMP har stort inflytande på den fortsatta foulingen. Ger en tätare struktur på biofilmen.
Biologiska ansatser
Quorum quenching.
Mikrober kan kommunicera med varandra genom signalmolekyler som N-acyl-homoserine-lactones (AHLs). QQ innebär att störa och styra dessa molekyler, t ex genom enzymatisk behandling.
Enzymatiskt förstörande av EPS.
Protolytiska och polysackaridnedbrytande enzym kan sänka dessa huvudkomponenter i EPS.
Enzymframställning i stora mängder är ett problemområde.
Energireduktion
Adenosintrifosfat (ATP) är den huvudsaklig energikälla för mikrobiell metabolism. EPS-syntes är starkt beroende av ATP. Tillsatser för elektrontransport och oxidativ fosforylering kan inhibera ATP-produktionen och på så sätt störa EPS-aktiviteten.
Cellväggshydrolas
Cellväggshydrolas kan förenkla strukturen i beläggningens lager genom att hydrolysera makromolekylära EPS och SMP. Dessa enzym kan binda till cellväggen av en utvald bakterie och orsaka cellupplösning.
En viss oro finns att även aktivslamprocessen kan störas.
Biologiskt eller naturligt flockningsmedel
Salttoleranta Arthrobacter har isolerats från havsvatten och tillsatts membransystemet som ett biologiskt flockningsmedel. Detta reducerade inte bara nivåerna av EPS och SMP, utan minskade även koncentrationerna av humussyra, fulvicsyra och aromatiska komponenter.
När det biopolymera flockningsmedlet α-poly-L-lysine användes för att samla Chlorella Ellipsoidea inhiberades foulingprocessen pga den inneboende antibakteriella aktiviteten.
Två modifierade stärkelser tillsattes och minskade koncentrationerna av makromolekyler (>100kDa) avsevärt.
En artikel hävdar också att algtillsats kan vara gynnsam då algerna skulle hindra tillväxt av trådbakterier.
Bakteriofager
Bakteriofager är virus som kan infektera och lösa upp värdceller. Enzym som kan produceras av fagen kan hydrolysera biofilmens polymera matris. Fagen är också någorlunda enkel att applicera i större skala. Även blandningar av fager kan vara effektiva.
Betande av protozoer och metazoaner
Protozoer och metazoaner (flercelliga) är de huvudsakliga bakterieätarna i slammet och de kan påverka membrankakan genom sin konsumtion och indirekt påverka innehållet av EPS och SMP. Metazoanerna kan vara viktigare pga sin mobilitet och större konsumtionsbredd.
Slutsatser
En viktig fortsatt uppgift är att finna billiga extraktionsmetoder för enzym. Erfarenheter av dosering av biologiska antifoulingämnen behöver skapas. För låg dos kan vara verkningslös och för hög dos kan förvärra foulingen. Påverkan av aktivslamprocessen är också viktig att förstå.
Erfarenheterna är ännu i labskala och behöver provas i större sammanhang. Artikeln ger ett stort antal referenser, drygt 120 st, för den som vågar sig in i den biokemiska världen.
Källa: Yin Cui1,2), Huan Gao1,2), Ran Yu1,2), Lei Gao1,2) & Manjun Zhan3): Biological-based control strategies for MBR membrane biofouling: a review. (2021). Water Science & Technology 83.11, pp 2597-2614.
Författarna från:
Department of Environmental Science and Engineering, School of Energy and Environment, Wuxi Engineering Research Center of Taihu Lake Water Environment, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210096, China.
Key Laboratory of Environmental Medicine, Ministry of Education, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210009, China
Nanjing Research Institute of Environmental Protection , Nanjing, Jiangsu 210013, China.
Kontakt: yuran [a] seu.edu.cn
