Den mikrobiologiska analysteknikens framsteg har stimulerat intresset för delprocesser i våtmarker. I en review-artikel berättar Otto Stein och Jennifer Faulwetter från Center for Biofilm Engineering, Montana State University och 6 medförfattare, inkl Carina Sundberg från Linköpings universitet, om processer som är viktiga för separation av främst organiskt material, kväve och svavel från avloppsvatten. Typ av våtmark, växtslag och sättet att tillföra avloppsvattnet diskuteras.
Av: Jörgen Hanaeus
Artikeln inleder med en genomgång av en uppsättning mikrobiologiska analysmetoder som är rimligt tillgängliga idag; direkta och indirekta (densitet och (potentiell) aktivitet);totalt 12+20 metoder. Vidare listas 19 metoder för bedömning av diversiteten av mikroorganismer. Stor vikt lägges också vid redoxpotentialmätningar för att mikroorganismernas preferenser ska förstås. Tre olika hydrauliska våtmarksmodeller diskuteras, liksom tillförselvägarna för avloppsvattnet: satsvis, intermittent och kontinuerlig. Exempel på konsekvenser av olika växtslag ges under hand. Nedbrytningen av organiskt material bedöms utifrån lufttillträde och därmed redox-förhållanden. Kväveomvandlingar penetreras tämligen omfattande, varefter svavelcirkulationen inkl metallseparation pga sulfidbildning genomgås.
Våtmarkstyper
Anlagda våtmarksfilter med vertikalströmning bedöms vara aeroba och ha hög redoxpotential (ont om mätdata) eftersom driftssättet ger icke vattenmättade förhållanden i bädden. BOD-reduktion och nitrifikation har av detta skäl visat sig vara högre än i våtmarker med horisontell strömning medan däremot denitrifikationen är lägre jämfört med dessa. Antalet mikroorganismer och deras aktivitet är som störst i de översta 10cm av det vertikala filtret beroende på stor syre- och näringstillgång där. Eventuella bidrag till syreinnehållet från växtrötter brukar försummas beroende på en hög bakgrundshalt i filtret för syret.
Horisontell våtmark med undermarksströmning har både oxiderande och reducerande miljöer, men brukar sammanfattas som ett anoxiskt system. Redoxvärdet stiger i allmänhet i strömriktningen, beroende på att organiskt material bryts ned och att organiska partiklar filtreras av. Redoxvariationerna är större vid utloppet än vid inloppet. Redox sjunker däremot mot djupet då högre syrehalt återfinns nära ytan pga passiv diffusion från luften ovanför och även via bidrag från växternas syrsättning via rötterna. Vertikala vattenrörelser kan dock påverka detta mönster. Grunda våtmarker (0,25-0,5m) har i regel högre redoxpotential än djupa (0,5-1,0m) och är därför effektivare i separationen av organiskt material, ammoniak och löst fosfor.
Horisontell våtmark med ytströmning brukar klassificeras som anoxisk, med ett tunt aerobt lager under vattenytan beroende på passiv luftning. Halten löst syre och redoxpotentialen minskar med vattendjupet. Mätningar i avsatta sediment visade att redoxpotentialen var lägst nära sediment/vattenytan (5cm), ca -200 mV, och sedan ökade i nedåt i underliggande markprofil till bortåt 300 mV på 15 cm djup.
Tillförseln av avloppsvatten kan vara satsvis med så långa intervall att våtmarken blir fri från vatten innan nästa påfyllning sker. Det ger en speciell redoxsekvens med en påtaglig minskning vid vattentillförseln och sedan en successiv höjning när vattnet passerar och det organiska materialet bryts ner. Detta redoxmönster gynnar fakultativa biofilmer som passar för sådana variationer. Vanligen ger den satsvisa tillförseln en bättre oxiderande miljö än vad den kontinuerliga tillförseln gör och därför en bättre COD-avskiljning.
Intermittent tillförsel är också satsvis, men med kortare intervall så att våtmarken inte dräneras fullt ut mellan påfyllningarna. Den ger högre redoxpotential, bättre ammoniumavskiljning men sämre sulfatomvandling jämfört med kontinuerlig tillförsel.
Kontinuerlig tillförsel(vanligast) ger i allmänhet lägre redoxpotential jämfört med tidigare nämda alternativ och därför sämre reduktion av organiskt material. Redoxpotentialen ökar och näringsinnehållet sjunker mot våtmarksutloppet.
Oavsett tillförselsätt är den hydrauliska uppehållstiden viktig för behandlingsresultatet. Ökad uppehållstid ger högre redoxpotential. För en intermittent belastad våtmark med horisontell undermarksströmning och uppehållstiden 10,1d varierade redox mellan -92 och + 103 mV , medan uppehållstiden 16,1d gav intervallet -109 till +186mV. I en satsvis belastad våtmark angavs redoxpotentialen till att variera från -150mV dag 1 till intervallet 0-300mV efter 20d beroende på växtsorter.
Våtmarksväxter transporterar syre till sina rotsystem och viss syremängd frigörs till rotzonen.
Mycket nära roten har redox ca 500mV mätts upp, medan värdet ca 1cm därifrån blev 250mV. Särskilt fina, laterala rottrådar levererar gott om syre, medan gamla rötter är sämre.
Bladvass, Phragmites australis, ökade nitrifikations- och denitrifikationsaktiviteten inom 40mm från rotytan. Då det genomsnittliga avståndet mellan rötterna var 35mm utövade rötterna inflytande över hela behandlingsarean. Syrsättningen visade sig också klart högre i en planterad våtmark jämfört med en oplanterad kontrollvåtmark. Det skiljer dock mellan växterna, bl a pga responsen till ljus. Veketåg, Juncus effusus,kunde således variera från -250mV till +230mV i mörker resp solljus. Vanliga våtmarksväxter frigjorde från 0,3 till 1,4mg O2 /h beroende på växtsort och även på omgivningens redoxpotential. Växterna bidrar också olika mycket beroende på säsong. Dygnsmedelredox var högre vid 4°C jämfört med 24°C för NWT-starr, Carex utriculata och sävarten Schoenoplectus acutus vilket kan vara en delförklaring till att många våtmarker lyckas bättre än förväntat vintertid. Bredkaveldunet, Typha latifolia, hade inte denna egenskap.
Författarna konstaterar i en ambitiös genomgång av kväveprocesserna att få arbeten är utförda som direkt riktar sig mot de aktiva mikroorganismerna; vanligare är indirekta mätningar av typ inlopps-/utloppskoncentrationer.
Denitrifikationen i våtmarker är ofta god och tros bero på att rötterna bidrar med kolsubstrat. Nitratreduktionen konstaterades också klart större i en planterad våtmark jämfört med en oplanterad. De långsamväxande annamoxbakteriernas utbredning är inte mycket undersökt i våtmarker, men potentialen finns.
Beträffande svavel är de sulfatreducerande bakterierna(SRB) av stort intresse. De överför sulfat till sulfid, som i sin tur binder (tung-) metaller som sulfider. Sulfatreduktionen konkurrerar med denitrifikationen, vars bakterier har energimässiga fördelar. SRB förefaller vara mindre lågtemperaturkänsliga än man tidigare trott. Växterna förbättrar SRBakteriernas livsmiljö. SRB bidrar då också till COD-reduktionen; upp till 25% har konstaterats.
Slutsatser
Våtmarker är sannerligen komplexa miljöer och skillnaden mellan ”de fyra stora” i Sverige och ett litet konstruerat våtmarksfilter är förstås mäktig. Artikeln vill inspirera till att leta efter
delprocesser i våtmarker och att använda de verktyg som står till buds; tillförselsätt för avloppsvatten, valet vertikal/horisontell strömning, planterade växtsorter och uppehållstid. Därtill finns en mikrobiologisk analysteknik framme som medger att detaljerade frågor ställs.
I Sverige har forskningsområdet främst aktualiserats vid Linköpings universitet, men erfarenheter görs också kring de stora våtmarkerna. Beträffande småskaliga våtmarksfilter har (f lantbruks-)universitetet i Ås, Norge, gjort mycket arbete som även resulterat i en del kommersiella produkter.
Källa: Jennifer L. Faulwetter, Vincent Gagnon, Carina Sundberg, Florent Chazarenc, Mark D. Burr, Jacques Brisson, Anne K. Camper, Otto R. SteinJournal of Environmental Engineering, Vol 35 (2009) 987-1004.
Artikeln från Ecological Engineering går att köpa från utgivaren här.
Korrespondens: Prof Otto Stein, Montana State University ottos@ce. montana.edu
