Pilerensningsanlæg uden bundfældningstank

Farvel til første generation

Førstegenerationspileanlæg med bundfældningstanke burde for længst have udspillet deres rolle. Det skyldes ikke mindst, at der er sammenfald mellem disse anlæg med lugt og de svovlbrinte-/syreproblemer, som forsyningsselskaberne oplever.

Det samme gælder i realiteten også udbredelsen af tryksatte spildevands-systemer i det åbne land, hvor spildevandet ofte skal pumpes over meget lange afstande for at nå frem til de centrale rensningsanlæg. Med et utal af pumpebrønde og pumper undervejs stiger opholdstiden for spildevandet under anaerobe forhold i det tætte plastrør. Dette giver ideelle forhold for de gram-negative bakterier (Thiobacillus ferrooxidans og thiooxidans), der meget hur-tigt udkonkurrerer andre bakterier i spildevandet som følge af dannelsen af svovlbrinte og svovlsyreforbindelser med pH-værdier helt ned til 1,2-1,8.

 Disse processer udvikles også i bundfældningstanke under dannelse af svovl-brinte og syre. Det er derfor naturligt, at såvel betonkonstruktioner som de pumper, der skal arbejde i det pågældende miljø, meget ofte nedbrydes langt hurtigere end forudsat. I bundfældningstanke af beton dannes der med tiden en beskyttende slimet biofilm på overfladerne indvendigt i tankene. Da flowhastighederne i en sådan tank er meget lave, rives biofilmen normalt ikke i stykker. Undtagelsen er, når tankene én gang om året – på Teknologisk Instituts og Naturstyrelsens anbefaling – skal tømmes.

Den mekaniske påvirkning, der er forbundet hermed, ødelægger ofte biofilmen og at slam med mikroplast spredes i miljøet, med ætsningsskader på betonen til følge.

Bakterieudviklingen kan måles på pH-værdierne, der falder fra kammer 1 til kammer 3 i en bundfældningstank. Her er de gram-negative bakterier de eneste, der kan overleve i det sure miljø, som dannes i kammer 3.

I de pumper, der efterfølgende skal transportere spildevandet fra kammer 3, angribes metaller og komponenter hårdt. Endvidere har jeg, Steen Rasmussen, ved forsøg konstateret, at den meget sure udpumpning af overløbsvand fra bundfældningstanken nedsætter pilerøddernes udvikling i bunden af et første-generations-pileanlæg. Ved en partiel opregulering af pH-værdierne med kalk og/eller nitrat er konstateret en stærkt forbedret blad-vækst på de piletræer, hvor pH-værdierne blev opreguleret nede i anlægget.

Konklusionen må derfor være, at en CE-mærket bundfældningstank på mange måder er et skadeligt element ved pilerensningsløsninger i det åbne land. Det er udokumenteret anbefalet af Teknologisk Institut og Miljø-/Naturstyrelsen.

Konklusion er derfor, helt i tråd med EU’s BAT-konklusioner, at hoved-parten af spildevandsrensningen i det åbne land skal foretages så tæt på forureningskilden som muligt. Derfor blev mit spildevandsrenseanlæg uden bundfældningstank generation 2 og 3 udviklet.

Indlysende fordele ved generation 2 og 3
En fordel ved generation 2 og 3 er først og fremmest, at ingen pumper bliver udsat for langvarige ophold i sort, lugtene svovlbrinte og syreholdigt spildevand. Det skyldes, at en grinderpumpe fra pumpebrønden afleverer spildevandet til anlægget med en PH værdi tæt på 7, til et anlæg, hvor langt flere mikroorganismer derfor kommer i spil under nedbrydningen. Anlægget starter nedbrydningen i en biomasse under en vekselvirkning af aerobe og anaerobe forhold, hvor pH-værdierne sjældent eller aldrig kommer så langt ned, at Thiobacillus-bakterien ”vinder kampen” i biomassens nedbrydning og omsætning til pilerødderne.

For det andet er pH-værdien i rodzonen langt højere i generation 2 end i med det sure spildevand, der tilføres pilerødderne sekventielt fra septictankens kammer 3 nede i førstegenerations-pileanlæg på 8 meters bredde.

Såvel bladmassen som udviklingen af træmasse i de midterste rækker af pilekloner i mit eget førstegenerationsanlæg var reduceret i forhold til de yderste rækker, hvilket kunne skyldes to forhold: enten at der kom reduceret lys til de midterste rækker, eller det faktum, at fordelerstrengen fra pumpe-brønden er placeret i midteraksen nede i anlægget. Pilerødderne fra de midterste rækker får således tilført surt svovlbrinteholdigt vand helt uden ilt i sekventielle ”skvulp”  nede i selve anlægget med pH-værdier på 1,2-1,7.

Det er derfor logisk ud fra biologien at væksten af de midterste rækker af pil i et 8 meter bredt anlæg er ringere end i de øvrige rækker. Samtidig mistrives de dybest liggende rødder for alle rækker. Ved litteraturstudier af emnet viste det sig, at også Jackson og Attwood allerede i 1996 dokumente-rede, at tilførslen af surt vand fra for eksempel bundfældningstanke nede i bunden ved rodzonen reelt stoppede pilerøddernes vækst nede i anlægget, og at det derfor hovedsageligt, er nye rødder og rodskud oppe under overfladen 150 mm nedeunder overfladen i førstegenerations-pileanlæg, der omsætter spildevandet. Det er givet også årsagen til, at mange pilerensningsanlæg af førstegenerationstypen ikke omsætter den forventede mængde spildevand, med overløb og overfladevand til følge.

Da jeg således i førstegenerations-pileanlæg foretog pH-reguleringer til værdier over 6 af det fra bundfældningstanken til pilerødderne udpumpede spildevand, fik vi en stærkt forbedret vækst i pileklonerne.

Udviklingen af generation 2
Det førte til at udvikle anlægstype generation 2, hvor det udpumpede blendede spildevand, der sprayes ud i de pressede halmballer, har en pH-værdi omkring 7 og samtidig indeholder ilt fra starten. Derved påbegyndes nedbrydningen inde i halmballerne som en kompostering, som i marts-april måned kan nå op på 40-60 grader celcius, hvilket ude i anlægget betyder en opvarmning af pilerødderne fra ca. 6 grader til mere end 20 grader i rodzo-nen af stiklingerne.

Udviklingen fra midten af mit andengenerationsanlæg 2-3 ud imod pilerødderne foregår i et langsomt, stabilt tempo, der over tid i de zoner, hvor pilerødderne transporter ilt ned i anlægget vil give en stabil pH-balance mellem grænsefladerne af de anaerobe og aerobe bakterier, der er med til at tilpasse optaget af næring i pilerødderne. Det er hovedårsagen til, at et generation 2 anlæg omsætter betydeligt mere vand pr. m2 pil end førstegenerationsanlæg med bundfældningstank.

Da bredden af generation 2 og 3 som standard er 4 m, og pileklonerne kun står i fire rækker, opnås der på samme areal en langt højere omsætning af det tilførte spildevand til bladmasse og træmasse. Hvor de første beregninger sandsynliggjorde, at en omsætning på 3,4 m3/år pr. løbende m var realistisk, har det dog efterfølgende vist sig, at en omsætning på 6,75 m3/år pr. løbende m ikke er urealistisk at opnå i fremtiden.

Som følge af anlæggets form og græsset på overfladen i midten vil mindre end 25 m3 af den regn, der rammer anlægget, skulle optages af pilen.

Ved en ejendom bestående af 5 PE vil hver 1 PE tilføre anlægget vanskeligt nedbrydeligt tørstof på 28-31 kg/år, svarende til 155 kg/år for hele ejendommen på 5PE, svarende til 4,6 tons på 30 år.

De 10,7 tons halm eller 89 m3, som er anbragt i anlægget fra starten, vil efter 30 år være reduceret til mindre end 8 m3 og efterlade et hulrum på mere end 80 m3, der så er fyldt med 4,6 tons tørstof fra de 5 PE inde i den med fiberdug indkapslede bioreaktors biomasse og rodnet fra pileklonerne.

Må citeres med kildeangivelse: Steen Rasmussen, ingeniør, Karrebækstorp, den 1.oktober 2017.

 Diverse litteratur anvendt i forbindelse med udviklingsarbejdet

Naturstyrelsen

  • Spildevandsforskning fra Miljøstyrelsen Nr. 23 1991, Håndtering af septisk slam samt industrislam.
  • Naturstyrelsen:Undersøgelser af effektiviteten af spildevandsrensning i det åbne land, Arbejdsrapport, Analyse af driftsproblemer.
    1. danva.dk/Medlemmer/Spildevand/Svovlbrinte.asdx
    2. Danske Pileanlæg, nr. 5, 2001. Anke Stubsgaard, DHI.
    3. Publikation 2- 3 2013-2015 Steen B Rasmussen.

Effect of pH on sulfite oxidation by Thiobacillusthiooxidans cells with sulfurous acid or sulfur dioxide as a possible substrate.

T L Takeuchi and I Suzuki

Abstract

The oxidation of sulfite by Thiobacillusthiooxidanswas studied at various pH values with changing concentrations of potassium sulfite. The optimal pH for sulfite oxidation by cells was a function of sulfite concentrations, rising with increasing substrate concentrations, while that by the cell extracts was unaffected. The sulfite oxidation by cells was inhibited at high sulfite concentrations, particularly at low pH values. The results from kinetic studies show that the fully protonated form of sulfite, sulfurous acid or sulfur dioxide, is the form which penetrates the cells for the oxidation.

Microbiol Rev. 1994 Mar; 58(1): 39–55.

Molecular genetics of Thiobacillusferrooxidans.

D E Rawlings and T Kusano

Author information ► Copyright and License information ►

This article has been cited by other articles in PMC.

Abstract

Thiobacillusferrooxidans is a gram-negative, highly acidophilic (pH 1.5 to 2.0), autotrophic bacterium that obtains its energy through the oxidation of ferrous iron or reduced inorganic sulfur compounds. It is usually dominant in the mixed bacterial populations that are used industrially for the extraction of metals such as copper and uranium from their ores. More recently, these bacterial consortia have been used for the biooxidation of refractory gold-bearing arsenopyrite ores prior to the recovery of gold by cyanidation. The commercial use of T. ferrooxidans has led to an increasing interest in the genetics and molecular biology of the bacterium. Initial investigations were aimed at determining whether the unique physiology and specialized habitat of T. ferrooxidans had been accompanied by a high degree of genetic drift from other gram-negative bacteria. Early genetic studies were comparative in nature and concerned the isolation of genes such as nifHDK, glnA, and recA, which are widespread among bacteria. From a molecular biology viewpoint, T. ferrooxidans appears to be a typical member of the proteobacteria. In most instances, cloned gene promoters and protein products have been functional in Escherichia coli. Although T. ferrooxidans has proved difficult to transform with DNA, research on indigenous plasmids and the isolation of the T. ferrooxidansmerA gene have resulted in the development of a low-efficiency electroporation system for one strain of T. ferrooxidans. The most recent studies have focused on the molecular genetics of the pathways associated with nitrogen metabolism, carbon dioxide fixation, and components of the energy-producing mechanisms.

. References Byrne, R.H., Luo, Y.-R., 2000. Direct observation of nonintegral hydrous ferric oxide solubility products K* SO=[Fe3 +][H+ ]  2.86. GeochimicaetCosmochimicaActa 64 (11), 1873 – 1877. Espejo, R., Escobar, B., Jedlicki, E., Uribe, P., Badilla-Ohlbaum, R., 1988. Oxidation of ferrous iron and elemental sulfur by Thiobacillusferrooxidans. Applied and Environmental Microbiology 54, 1694. Harvey, P.I., Crundwell, F.K., 1997. Growth of Thiobacillusferrooxidans: a novel experimental design for batch growth and bacterial leaching studies. Applied and Environmental Microbiology 63 (7), 2586 – 2592. G. Meruane, T. Vargas Ingledew, W.J., 1982. Thiobacillusferrooxidans: the bioenergetics of an acidophilic chemolithotroph. BiochimicaetBiophysicaActa 683, 89 – 117. Kupka, D., Kupsa´kova´, I., 1999. Iron(II) oxidation kinetics in Thiobacillusferrooxidans in the presence of heavy metals. In: Amils, R., Ballester, A. (Eds.), Biohydrometallurgy and the environment toward the mining of the 21st century, Part A, Elsevier Press, Amsterdam, pp. 387 – 396. Levenspiel, O., 1962. Chemical Reaction Engineering. John Wiley & Sons, New York, pp. 393 – 409. Liu, M.S., Branion, R.M.R., Duncan, D.W., 1988. The effects of the ferrous iron, dissolved oxygen, and inert solids concentration on the growth of Thiobacillusferrooxidans. The Canadian Journal of Chemical Engineering 66, 445 – 451. MacDonald, D.G., Clark, R.H., 1970. The oxidation of aqueous ferrous sulphate by Thiobacillusferrooxidans. The Canadian Journal of Chemical Engineering 48, 669 – 676. Meruane, G., 2002. Oxidacio´nbacteriana de sulfatoferroso con Acidithiobacillusferrooxidans. PhD Thesis, Universidad de Chile. Nakamura, K., Noike, T., Matsumoto, J., 1986. Effect of operation conditions on biological Fe2 + oxidation with rotating biological contactors. Water Resources 20 (1), 73 – 77. Nemati, M., Harrison, S.T.L., Hansford, G.S., Webb, C., 1998. Biological oxidation of ferrous sulphate by Thiobacillusferrooxidans: a review on kinetic aspects. Biochemical Engineering Journal 1, 171 – 190. Pesic, B., Oliver, D.J., Wichlacz, P., 1989. An electrochemical method to measuring the rate of ferrous to ferric iron with oxygen in the presence of Thiobacillusferrooxidans. Biotechnology and Bioengineering 33, 428 – 439. Touvinen, O.H., Kelly, D.P., 1973. Studies on the growth of Thiobacillusferrooxidans: I. Use of membrane filters and ferrous iron agar to determine viable number and comparison with CO2 fixation and iron oxidation measures of growth. Archives on Microbiology 68, 285.