Rensning af MTBE forurenet grundvand i bioreaktor med MTBE som primært substrat

2 Batchforsøg

2.1 Effekten af forskellige mineralmedier
      2.1.1 Metode
      2.1.2 Resultater og diskussion
      2.1.3 Konklusion
2.2 Temperaturfølsomhed
      2.2.1 Metode
      2.2.2 Resultater og diskussion
      2.2.3 Konklusion
2.3 Iltforbrug ved MTBE omsætning
      2.3.1 Metode
      2.3.2 Resultater og diskussion
      2.3.3 Konklusion
2.4 Betydningen af BTEX
      2.4.1 Metode
      2.4.2 Resultater
      2.4.3 Diskussion og konklusion
2.5 Nedbrydningskinetik
      2.5.1 Metode
      2.5.2 Resultater og diskussion
      2.5.3 Modellering
      2.5.4 Konklusion

Der er benyttet to forskellige MTBE-nedbrydende kulturer i denne del af projektet. Den første er en suspenderet blandet kultur, som er hentet fra et kompost-biofilter til rensning af forurenet luft fra et beluftet sandfang i et rensningsanlæg i Californien. I nærværende rapport benævnes denne kultur US-kulturen. Den anden kultur stammer fra et MTBE-forurenet grundvandsmagasin i det tidligere Østtyskland, og er opsamlet på et polyurethan bæremateriale fra grundvandsmagasinet. I nærværende rapport benævnes denne kultur D-kulturen. Bilag A indeholder en mere uddybende beskrivelse af de to kulturer.

Der blev udført batchforsøg med henblik på at dokumentere kulturernes evner til at nedbryde MTBE, samt at belyse forskellige karakteristika ved kulturerne, herunder kulturernes evne til at vokse under forskellige næringsforhold.

2.1 Effekten af forskellige mineralmedier

Der blev opstillet seks batchforsøg, hvor de to kulturers aktivitet blev afprøvet i to forskellige medier: 1) Grundvand fra Tyskland (D-vand) tilsat N og P, og 2) Postevand fra Lyngby (DK-vand) tilsat forskellige næringsmineraler (se Bilag B).

2.1.1 Metode

Tabel 2.1 viser en oversigt over de opstillede batchforsøg, idet der gives et overblik af kombinationerne af de anvendte vandtyper, tilsatte næringsmineraler samt de anvendte kulturer.

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.1‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.1‘‘
 

2.1.1.1 Opstilling
Samtlige af de 8 batchforsøg blev udført i lukkede 5 liters glasflasker, hvoraf headspace udgjorde 1 liter. Forsøgene blev udført i mørke ved 20°C og under konstant lav omrøring (60 rpm) for at sikre optimal kontakt mellem mikroorganismer og næringsmedie, og samtidigt hindre at biomasse-aggregaterne blev slået i stykker. Figur 2.1 viser opstillingen af de udførte batch-forsøg.

Figur 2.1. Billede af batch-system

2.1.1.2 Substrat
MTBE-indholdet i D-vandet var fra starten på 2,5 mg/L, hvilket også blev tilsat DK-vandet for at opnå identiske startbetingelser i de otte systemer. I de tilfælde, hvor den initiale MTBE mængde blev nedbrudt, blev der tilsat yderligere 25 mg MTBE/L ved de efterfølgende forsøg. MTBE var den eneste kulstofkilde, som blev tilsat systemerne. D-vandet indeholdt fra starten også andre organiske forbindelser, herunder benzinkomponenter (BTEX). Indholdet af disse benzinkomponenter er præsenteret i Tabel 2.2.

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.2‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.2‘‘

Tabel 2.2.
BTEX koncentrationer i det tyske grundvand (D-vand)

MTBE blev først tilsat til systemerne med D-vand efter at samtlige eksisterende benzinkomponenter (MTBE og BTEX) var nedbrudt.

Det ene dyrkningsmedie var DK-vand (bilag C) tilsat et kunstigt næringsmedie (se bilag B). Det andet medie var D-vand tilsat 2,5 mg N/L i form af NO3 samt 0,5 mg P/L i form af PO43-.

Den anvendte blanding af Lyngby postevand (DK-vand) tilsat mineralmedie havde pH 7,8, mens det tyske grundvand (D-vand) havde en lavere pH værdi på pH 7,0.

Samtlige batchforsøg blev holdt aerobe under hele forsøgsperioden, ved at tilsætte ren ilt.

2.1.1.3 MTBE og BTEX analyser
MTBE og TBA blev kvantificeret ved analyse af prøver fra vandfasen på GC. Metoden er beskrevet i detaljer i bilag D.

BTEX blev ekstraheret med pentan hvorefter 1 μl blev injiceret i en gaschromatograf med FID-detektor (se bilag D). 

2.1.2 Resultater og diskussion

2.1.2.1 US-kulturen
Figur 2.2 viser nedbrydningskurven for MTBE ved forsøget med US-kulturen og D-vand.

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.2‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.2‘‘

Figur 2.2.
Nedbrydningskurve for US-kulturen i D-vand (--- MTBE, -x- TBA).

Som tidligere nævnt var den oprindelige MTBE koncentration i det tyske grundvand (D-vand) 2,5 mg/L, hvilket på en uge blev reduceret til 0,5 mg/L. Herefter blev vandet tilsat MTBE svarende til 25 mg/L/d, der på en uge blev nedbrudt til en koncentration på 5 mg/L. Nedbrydningshastigheden var altså næsten 4 mg/L/d. I samme periode observeredes en opbygning af TBA i vandfasen. Da der på ny blev tilsat MTBE blev observeredes en væsentlig lavere omsætningshastighed. Den reducerede omsætningshastighed kunne skyldes, at der produceres biprodukter ved nedbrydningen (heriblandt TBA), der enten kan medføre at de MTBE nedbrydende bakterier skifter substrat eller bliver hæmmede. Faldet i TBA koncentrationen, hvilket viser, at TBA bliver nedbrudt af kulturen, og at der derfor formentlig i et vist omfang er tale om, at kulturen skifter substrat.

Det kan imidlertid ikke udelukkes, at ét eller flere mikronæringsstoffer bliver opbrugt i løbet af forsøget, hvorefter bakterierne efterfølgende er begrænsede i deres vækst, hvilket også vil medvirke til at reducere nedbrydningshastigheden.

Alle de BTEX-komponenter, som var tilstede i D-vandet ved forsøgenes start, blev nedbrudt i forsøget indledende fase.

Der blev ikke observeret nedbrydning af MTBE i forsøgene, hvor US-kulturen blev tilsat vand fra Danmark (DK-vand) (data ikke vist), og forsøget blev derfor stoppet efter 11 dage. Årsagen til den manglende nedbrydning kunne ikke identificeres. Den høje pH-værdi på 7,8 kan måske have haft en vis betydning, således fandt Eweis (1997) et pH optimum på 6,5-7,8 med en kraftig nedgang i aktivitet på begge sider af pH optimum, hvorimod Ransborg (2000) fandt et optimum på 6,5-7,5. En mere sandsynlig årsag er formentlig at næringsmediets sammensætning er anderledes, om end det ikke endnu er lykkedes, at identificere de essentielle vækstfaktorer. 

Kontrolforsøget (US-L-kontrol) viste ingen nedbrydning af MTBE og BTEX, hvilket udelukker, at abiotiske processer (sorption, diffusion, fotokemisk nedbrydning, kemisk nedbrydning mfl.) er skyld i MTBE-fjernelsen.

2.1.2.2 D-kulturen
Figur 2.3 viser nedbrydningskurven for forsøget med D-kulturen og DK-vand.

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.3‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.3‘‘

Figur 2.3.
Nedbrydningskurve for D-kulturen og DK-vand. Toppene på kurven skyldes ny tilsætning MTBE.

Forsøg med D-kulturen i DK-vand viste en meget effektiv MTBE nedbrydning med nedbrydningshastigheder på gennemsnitlig 6 mg/L/d. MTBE kunne nedbrydes til under 20 μg MTBE/L.

Nedenstående Figur 2.4 illustrerer nedbrydningsforløbet for D-kulturen med D-vand.

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.4‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.4‘‘

Figur 2.4.
Nedbrydningskurve for D-kulturen og D-vand tilsat N og P. Toppene på kurven indikerer ny tilsætning af MTBE.

Forsøg med D-kulturen og D-vand viste ligeledes nedbrydning af MTBE, hvor første tilsætning har samme nedbrydningshastighed som i forsøget med DK-vand (6 mg/L/d), hvorefter nedbrydningshastigheden falder drastisk under de følgende tilsætning (2 mg/L/d).

MTBE blev nedbrudt til under 1 mg/L før ny tilsætning af MTBE. Der blev dog i nogle tilfælde observeret nedbrydning helt ned til 20 μg MTBE/L. 

Der blev ikke observeret produktion af TBA i nogen af forsøgene med D-kulturen, hvilket indikerer, at TBA nedbrydes med samme hastighed som det dannes.

Årsagen til den faldende nedbrydningshastighed er ikke identificeret, men ligner det samme forløb som tidligere set for US-kulturen (dog uden TBA dannelsen). Forskellen i nedbrydningsforløb for de forskellige vandtyper kan evt. skyldes forskelle i sammensætningen af næringsstoffer, selvom dannelse af metabollitter ikke kan udelukkes.

De to forsøg med D-kulturen blev flere gange tilsat MTBE, næringssalte og oxygen. Det var forventet, at disse tilsætninger ville resultere i en forøgelse af nedbrydningshastigheden som følge af en forøgelse af biomassen, men dette var ikke tilfældet. Dette indikerer, at D-kulturen har en lav væksthastighed og/eller lav udbyttefaktor. Ifølge litteraturen er det et generelt problem for MTBE-nedbrydende kulturer, at de både har en meget lav væksthastighed og en lav udbyttefaktor. Den svært nedbrydelige ether-binding i MTBE-molekylet er grunden til at bakterierne får et meget lavt energiudbytte ud af nedbrydningen og derfor har en begrænset vækst. Fortin et al. (2000) rapporterer at ca. 56% af energiudbyttet bruges til brydning af ether-bindingen i MTBE molekylet.

Kontrolforsøget (D-G-kontrol) viste ingen nedbrydning af MTBE og BTEX, hvilket udelukker, at abiotiske processer er skyld i MTBE-fjernelsen.

Nedbrydningspotentialerne for de forskellige kulturer i forskelligt vand er opsummeret i Tabel 2.3, som resumerer resultaterne fra de udførte forsøg. Som tabellen viser blev MTBE nedbrudt med rater på mellem 2 til 6 mg MTBE/L/d med undtagelse af forsøget med US-kulturen og DK-vand.

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.3‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.3‘‘

Tabel 2.3.
Resultaterne af undersøgelsen af nedbrydningspotentialet i forskellige vandtyper. (- angiver ingen nedbrydning, + angiver nedbrydning).

2.1.3 Konklusion

De udførte batchforsøg viste, at både US-kulturen og D-kulturen var i stand til at nedbryde MTBE. Kulturerne opførte sig forskelligt på forskellige næringsmedier, men de nærmere årsager hertil blev ikke identificeret.

Ud fra forsøgene kan det yderligere konkluderes, at begge kulturerne var i stand til at nedbryde TBA. Resultaterne indikerede ligeledes, at D-kulturen nedbrød TBA endnu hurtigere end US-kulturen, da TBA slet ikke var detekteret i forsøgene med D-kulturen. 

2.2 Temperaturfølsomhed

Der blev udført uddybende forsøg med US-kulturen, med henblik på at undersøge kulturens følsomhed overfor lave temperaturer. US-kulturen stammer, som tidligere nævnt, fra et kompostbiofilter i Californien, og har altså ikke tidligere været udsat for lave temperaturforhold.

2.2.1 Metode

Der blev opstillet to batchforsøg, et ved stuetemperatur (22°C) og et ved dansk grundvandstemperatur (8°C).

Batchforsøgene blev udført i 1 liters bluecap-flasker med sterilfiltreret DK-vand (bilag C viser en beskrivelse af vandkvaliteten for DK-vandet). Der blev yderligere tilsat 10 mg N/L og 5 mg P/L. Batchforsøgene blev inokuleret med US-kulturen, så det totale bakterietal i hver batch var på ca. 6×105 celler/mL (Acridin Orange Direct Count). MTBE blev tilsat til en koncentration på 10 mg/L ved forsøgets start. Batchflaskerne var anbragt i rotérkasse under hele forsøget (2½ rpm).

pH blev fulgt gennem hele forsøget, og lå uændret omkring pH 7.

Iltkoncentrationen lå forsøget igennem konstant omkring 8 mg/L. Grunden til, at der ikke blev registreret et fald pga. iltforbrug til biologisk nedbrydning, er, at systemerne blev tilført luft under prøvetagningen.

MTBE og TBA blev analyseret som beskrevet i afsnit 2.1.1.3.

2.2.2 Resultater og diskussion

Figur 2.5 illustrerer de opnåede nedbrydningskurver fra de to forsøg, udført ved henholdsvis 22°C og 8°C.

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.5‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.5‘‘

Figur 2.5.
Nedbrydning af MTBE ved 22°C og 8°C (-
¨- 22°C, -<- 8°C)

Figur 2.5 viser tydeligt, at nedbrydningen af MTBE ved 22°C er væsentlig hurtigere end ved 8°C. Ved 22°C er halvdelen af substratet nedbrudt efter 8 dage, mens det ved 8°C tager 35 dage, hvilket svarer til en 0.ordens nedbrydningsrate på henholdsvis 1,4 mg/L/dag og 0,15 mg/L/dag. Det vil sige, at nedbrydningshastigheden ved 8°C kun udgjorde 11% af nedbrydningshastigheden ved 22°C. Til sammenligning fandt Schroeder et al. (2000) i tilsvarende undersøgelser, at nedbrydningshastigheden for MTBE ved 10°C udgjorde 14% af hastigheden ved 20°C. Der er altså god overensstemmelse mellem de to undersøgelser.

MTBE blev nedbrudt til under 1 μg/L ved 22°C, mens MTBE ved 8°C blev nedbrudt til 5 mg/L, hvorefter forsøget blev stoppet.

Kontrolforsøget, hvor 2 g natrium-azid/L var tilsat, viste ingen tegn på nedbrydning af MTBE, hvilket bekræfter at ingen abiotiske processer fandt sted i de udførte forsøg.

2.2.3 Konklusion

US-kulturen er altså i stand til at nedbryde MTBE ved grundvandstemperaturer (8°C), men effektiviteten er lav sammenlignet med nedbrydningen ved stuetemperatur (22°C), hvor MTBE blev nedbrudt til under 1 μg/L i løbet af 4 døgn.

2.3 Iltforbrug ved MTBE omsætning

De MTBE nedbrydende bakterier, der er undersøgt i dette projekt var aerobe, hvilket altså betyder, at de kræver ilt for at kunne omsætte MTBE. En fuldstændig mineralisering af MTBE til kuldioxid og vand kræver 2,7 mg O2/mg MTBE, hvilket er det teoretisk maksimale iltforbrug. Det reelle iltforbrug for omsætningen vil imidlertid altid være mindre end omsætningen ved den fuldstændige mineralisering, idet der også produceres ny biomasse i forbindelse i forbindelse med omsætningen, hvilket betyder, at ikke alt kulstof bliver fuldstændigt oxideret.

Formålet med dette forsøg var at bestemme det samlede iltforbrug ved MTBE omsætningen.

2.3.1 Metode

Iltforbruget ved MTBE omsætningen blev bestemt ved en manometrisk metode, hvilket betyder, man måler trykændringer som følge af biologiske processer i lukkede flasker. Metoden svarer til BOD målingen.

MTBE nedbrydende kultur (D-kultur) blev tilsat postevand (DK-vand) i forholdet 1:100, samt næringsstoffer N og P svarende til en koncentration på 1 mg/L. 432 mL af denne blanding blev overført til 6 BOD-flasker, der fungerede som kontrol. 430 mL af blandingen blev overført til yderligere 6 BOD flasker, hvortil der blev tilført 2 mL 1,62 g/L MTBE opløsning svarende til en koncentration i flaskerne på 7,5 mg MTBE/L.

Flaskerne blev inkuberet ved 15°C i 28 dage.

2.3.2 Resultater og diskussion

Iltforbruget i de 12 BOD-flasker efter 28 dage er vist i Tabel 2.4.

Klik p・billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.4‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.4‘‘

Tabel 2.4.
Iltforbrug (mg/L) ved omsætning af 7,5 mg/L MTBE

Iltforbruget i prøverne var 26,2 ± 1,5 mg/L, mens iltforbruget i kontrolprøverne (uden MTBE) var 8,2 ± 1,4 mg/L. Det målte iltforbrug udgør altså 2,4 mg O2/mg MTBE, hvilket svarer til 89% af det teoretisk maksimale iltforbrug ved fuld mineralisering af MTBE til CO2 og vand. Forskellen mellem det faktiske iltforbrug og det teoretiske kan skyldes dannelse af ikke nedbrydelige metabolitter eller vækst af mikroorganismer. I begge tilfælde vil det reelle iltforbrug være mindre end det teoretiske, fordi en del af det tilsatte kulstof ikke bliver oxideret.

Der er med den pågældende kultur som tidligere nævnt ikke observeret betydelig dannelse af TBA under MTBE omsætningen. Forskellen i iltforbrug skyldes derfor formentlig primært biomasseproduktion. Udfra det observerede iltforbrug kan udbyttekonstanten for den mikrobielle vækst estimeres til 0,11 g biomasse-C/g MTBE-C under forudsætning af at der sker fuld mineralisering af MTBE.

2.3.3 Konklusion

MTBE tilsætningen betød altså at iltforbruget øgedes med 18,0 mg/L, hvilket svarer til et iltforbrug på 2,4 mg O2/mg MTBE. Det observerede iltforbrug er altså 89% af det teoretisk maksimale forbrug. Forskellen skyldes formentlig, at en del af det tilsatte kulstof ikke bliver oxideret, men indbygges i biomasse.

2.4 Betydningen af BTEX

Med henblik på at undersøge hvilken effekt tilstedeværelsen af BTEX har på MTBE-nedbrydningen, er der udført batchforsøg med D-kulturen.

2.4.1 Metode

Forsøget blev udført som to batchflasker, hvor det ene havde MTBE som eneste kulstofkilde, mens det andet indeholdt både MTBE og BTEX.

2.4.1.1 Opstilling
Batchforsøgene blev udført i 2,5 liters Pyrexflasker med glasrørsindsats og hane, så fordampning af MTBE fra headspace undgås. Batchsystemerne var pakket ind i stanniol for at undgå fotokemiske reaktioner samt algevækst. For at sikre homogen kontakt mellem biomasse og substrat, blev systemerne omrørt ved lav hastighed med magnetomrører. Eksperimenterne blev forberedt sterilt og udført ved 22°C. Hver flaske blev podet med 500 mL D-kultur, der efterfølgende blev tilsat 1,5 L vand.

2.4.1.2 Substrat
Det ene system blev tilsat 10 mg MTBE/L og det andet system blev tilsat 10 mg MTBE/L samt en blanding af BTEX svarende til en samlet koncentration på 10 mg BTEX/L. BTEX blandingen bestod af benzen, toluen og xylen i et lige forhold (1:1:1). Efter al MTBE var nedbrudt, henstod systemerne i to dage, hvorefter nyt substrat (inklusive næringsstoffer) blev tilsat.

Forsøgene blev udført med DK-vand (bilag C) tilsat 10 mg N/L, 2,5 mg P/L og 1 mg Fe/L.

Vandfasen blev ved start gennemblæst med ren ilt for at sikre aerobe forhold under hele forsøget.

pH lå gennem hele forsøget på pH 7,5.

2.4.1.3 Analysemetoder
MTBE blev analyseret udfra headspaceprøver på gaskromatograf (se bilag D) BTEX blev analyseret som beskrevet i afsnit 2.1.1.3.

Ilt blev analyseret på gaschromatograf af typen PERKEN-ELMER model 8500.

2.4.2 Resultater

Figur 2.6 viser de opnåede nedbrydningskurver for MTBE fra forsøgene med og uden BTEX.

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.6‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.6‘‘

Figur 2.6.
Nedbrydningskurver for MTBE med eller uden tilstedeværelse af BTEX (-
¨-MTBE, -<- MTBE+BTEX).

Figuren illustrerer, at nedbrydningen for de to systemer ved første tilsætning er lige effektive, hvorefter der ved andet og tredje tilsætning ses en tydelig tendens til at systemet med BTEX er mere effektivt mht. nedbrydning af MTBE. I andet og tredje tilsætning er 0.ordens nedbrydningshastighederne for systemet med MTBE bestemt til ca. 2 mg MTBE/L/d, mens de for systemet med MTBE og BTEX er fundet til hhv. 3,5 og 4 mg MTBE/L/d.

For at sikre, at forskellen på de to systemer ikke skyldes en opstået forskel i andre faktorer, blev mediet udskiftet i de to systemer inden tredje tilsætning. Forsøgene bekræfter, at kulturens evne til at nedbryde MTBE er bedre ved tilstedeværelse af BTEX som supplerende kulstofkilde.

MTBE blev nedbrudt til under 10 μg/L.

Efter de tre tilsætninger blev forsøget stoppet og overført til 10°C, hvor systemerne fik tilført nyt substrat og næringssalte jævnligt. Nedbrydningen under disse nye forhold viser, at kulturen stadig er aktiv ved 10°C, dog var nedbrydningshastigheden reduceret væsentligt. Yderligere viste resultaterne, at systemet med BTEX tilstede var mere aktivt mht. MTBE-nedbrydningen, end systemet, hvor MTBE var den eneste kulstofkilde.

Kontrolforsøget viste ingen nedbrydning af MTBE, hvilket indikerer, at abiotiske processer ikke var skyld i MTBE-fjernelsen.

2.4.3 Diskussion og konklusion

Resultaterne viser, at D-kulturens evne til at nedbryde MTBE er bedre ved tilstedeværelse af BTEX som supplerende kulstofkilde. Dette var et overraskende resultat, da BTEX er en lettere nedbrydelig kulstofforbindelse end MTBE. Derfor var det forventet, at BTEX ville hæmme MTBE-nedbrydningen, hvilket også er registreret i hidtidige studier. Deeb et al. (2000) studerede effekten af de forskellige komponenter af BTEX på MTBE-nedbrydningen og fandt en kraftig inhibering en MTBE-nedbrydende renkultur som følge af tilstedeværelsen af xylener og ethylbenzen og en delvis inhibering af toluen og benzen.

Forklaringen på dette resultat kan være, at de MTBE-nedbrydende bakterier kan vokse på både BTEX og MTBE, dvs. at BTEX forøger den MTBE-nedbrydende biomasse. En anden forklaring kan være, at bakteriernes aktivitetsniveau stiger, når det lettere tilgængelige BTEX nedbrydes. Herved kan det tænkes, at der opstår et større potentiale for produktion af enzymer, som kan anvendes i nedbrydningen af MTBE, dvs. et co-metabolisk nedbrydningsforløb. Der kan potentielt også være tale om et konsortium af bakterier, der varetager nedbrydningen. Et sådan konsortium vil formentlig have glæde af, at der er andre tilgængelige substrater end MTBE tilstede.

Det skal nævnes, at kulturen oprindeligt stammer fra et grundvandsmagasin, hvor der er fundet BTEX i grundvandet. Dette kan også være forklaringen på, at nedbrydningen af MTBE vist sig at være mere effektiv ved tilstedeværelse af BTEX.

2.5 Nedbrydningskinetik

Formålet med forsøgene var at karakterisere den mikrobielle MTBE nedbrydningskinetik. Udgangspunktet var at kvantificere MTBE koncentrationens betydning for omsætningsraten samt estimere MTBE nedbrydernes vækstrate i en suspenderet kultur.

2.5.1 Metode

D-kulturens MTBE-nedbrydningskinetik blev studeret i tre parallelle batch reaktorer samt en abiotisk kontrol ved tilsætning af radioaktiv (14C-mærket) MTBE. De tre batch reaktorer var identiske bortset fra, at MTBE startkoncentrationen var forskellig. Der blev altså tilsat den samme mængde MTBE nedbrydende biomasse til de tre reaktorer. MTBE startkoncentrationen var 0,2 mg/L i batch T 0.1, 1,4 mg/L i batch T1 og 8,9 mg/L i batch T10, der blev tilsat både radioaktiv og ikke-radioaktiv MTBE i et kendt forhold. Forsøget blev udført ved 20°C. En detaljeret beskrivelse af forsøget er rapporteret i Lindberg (2002).

Radioaktiviteten blev målt løbende gennem hele forsøgsperioden i tre forskellige fraktioner.

  1. Opløst radioaktivitet (14C-MTBE +14C-metabolitter)
  2. 14CO2 produktionen
  3. Partikulære aktivitet (indbygget i biomassen)

Forholdet mellem radioaktiv MTBE og ikke-radioaktiv MTBE antages at være konstant, hvilket betyder at den målte radioaktivitet kan omregnes direkte til en tilsvarende MTBE koncentration. Derudover blev der løbende udtaget prøver til GC bestemmelse af MTBE koncentrationen.

2.5.2 Resultater og diskussion

I de tre biologisk aktive reaktorer blev den tilsatte MTBE (næsten) fuldstændigt omsat i løbet af forsøgsperioden, mens der som ventet ikke kunne observeres fjernelse af MTBE i den abiotiske reaktor. Figur 2.7 viser MTBE koncentrationen i de fire batchreaktorer gennem batchforsøget.

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.7‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.7‘‘

Figur 2.7.
MTBE koncentration i batchforsøg tilsat 14C mærket MTBE.

Som det ses af figuren havde batchforsøgene forskellig varighed, idet nedbrydningen ikke overraskende tog længere tid jo større mængde MTBE, der var tilsat.

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.5‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.5‘‘

Tabel 2.5.
Fordelingen af radioaktivitet i forskellige fraktioner ved afslutningen af batchforsøgene.

Tabel 2.5 viser fordelingen af radioaktiviteten i de tre forskellige fraktioner ved forsøgsperiodens afslutning. Som det ses af tabellen kunne størstedelen af radioaktiviteten genfindes som CO2 (75-81%) efter afslutningen på batchforsøgene, mens en mindre del indbygges i biomassen (8-10%). En del af radioaktiviteten befinder sig stadig i opløst form, enten som ikke nedbrudt MTBE eller som metabolitter. Udbytte for den mikrobielle omsætning kan beregnes udfra de i Tabel 2.5 angivne værdier, idet udbyttet er defineret som biomasseproduktionen divideret med den omsatte substratmængde. Det betyder, at det gennemsnitlige udbytte for den mikrobielle omsætning i de tre batchforsøg var 10% svarende til 0,1 g C-biomasse / g C-MTBE (hvilket svarer til 0,15 g biomasse/g MTBE). Dette stemmer godt overens med det tidligere udførte forsøg, hvor af iltforbruget ved MTBE omsætningen blev bestemt. Det målte iltforbrug for MTBE omsætningen blev bestemt til 89% af det teoretiske iltforbrug ved fuldstændig mineralisering, hvilket betyder en mængde svarende til 11% af det tilsatte substrat (MTBE) ikke oxideres .

Genfindingen af radioaktivitet i de tre fraktioner var mellem 96% og 102%, hvilket absolut er acceptabelt for denne type forsøg.

Den observerede udbyttekonstant er lav i forhold til hvad man normalt observerer for heterotrofe bakterier i spildevandsrensningsanlæg, hvor udbyttet typisk ligger mellem 50% og 70%. En lav udbyttefaktor er en fordel i forbindelse med anvendelse af biologiske filtre som rensningsteknologi idet risikoen for tilstopninger som følge af biologisk vækst er reduceret. Omvendt kan en lav udbyttekonstant være en ulempe i aktivslam anlæg, fordi slamseparationen skal være mere effektiv for at sikre en tilstrækkelig slamkoncentration.

2.5.3 Modellering

Kinetikken for de tre batchforsøg blev forsøgt modelleret i Aquasim (Reichert, 1994). Modellen blev opstillet udfra følgende antagelser:
- Biomassen størrelse og sammensætning var den samme i de tre udførte batchforsøg 
- Nedbrydningen var kun begrænset af MTBE koncentration
- Nedbrydningen kan beskrives med en Monodkinetik I modellen blev der anvendt procesmatrix svarende til i Tabel 2.6.

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.6‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.6‘‘

Tabel 2.6.
Procesmatrix for modellering af MTBE nedbrydning.

I en nærmere beskrivelse af Monodkinetikken kan findes i bilag K.

Ved parameterestimation kunne modellen tilpasses de målte værdier. Modellen gav generelt en god tilpasning til måledata (se Figur 2.8). 

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.8‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Figur 2.8‘‘

Figur 2.8.
Modellering af måledata fra batchforsøgene med 14C mærket MTBE. Øverst: Batch T0.1, Midt: Batch T1: Nederst: Batch T10.

Det bemærkes, at nedbrydningen i de tre batchforsøg synes at følge forskellige kurveforløb, hvilket også er tilfældet for modellen. Formen på de tre kurver antyder, at biomassetilvæksten har betydning, hvilket var bemærkelsesværdigt, da forsøgsperioden var relativ kort i forhold til den forventede (lave) væksthastighed.

Værdierne af de estimerede (ubekendte) parametre er angivet i Tabel 2.7.

Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.7‘‘
Klik på billedet for at se html-versionen af: ‘‘Tabel 2.7‘‘

Tabel 2.7.
Batchforsøg med 14C mærket MTBE. Estimerede kinetiske parametre.

Væksthastigheden for MTBE nedbryderne ved 20°C var lav, sammenlignet med nitrificerende bakterier, der med en væksthastighed på 0,6-0,8 d-1 normalt betegnes som langsomt voksende (Henze et al. 1997). Det ses desuden, at biomassekoncentrationen (Xini) i starten af forsøget var meget lav, hvilket betød at biomassen i batchforsøget med den høje startkoncentration (T10) blev kraftigt forøget i løbet af forsøgsperioden, mens biomassetilvæksten i de øvrige batchforsøg havde mindre betydning. Halvmætningskonstanten μg MTBE/L, hvilket altså betyder, at (Ks) blev i forsøget bestemt til 63 bakterierne er relativt effektive til at nedbryde MTBE i lave koncentrationer.

2.5.4 Konklusion

Forsøgene med tilsætning af 14C MTBE tillod et nøje studie af MTBE nedbrydernes vækstkinetik. Det var således muligt at estimere væksthastighed, udbyttekonstant og halvmætningskonstanten udfra forsøgene. Ligesom biomassens absolutte størrelse kunne estimeres.

Forsøgene viste, at de MTBE nedbrydende mikroorganismers væksthastighed var langsom (0,28 d-1), hvilket kan skyldes, at udbyttekonstanten for MTBE omsætningen ligeledes er lav (0,15 g biomasse/g MTBE) sammenlignet med andre heterotrofe bakterier. Halvmætningskonstanten blev bestemt til 63 μg/L, hvilket tyder på at MTBE omsætningen er uafhængig af koncentration (0. orden) når koncentration overstiger ca. 100 μg/L.