| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Rensning af MTBE-forurenet grundvand vha. propanoxiderende mikroorganismer

2 Del I: Batchforsøg

• 2.1 Teori
  • 2.1.1 Biologisk nedbrydning af organiske stoffer.
  • 2.1.2 Nedbrydning af MTBE.
  • 2.1.3 Mikrobiologisk vækst
  • 2.1.4 Temperaturens betydning.
• 2.2 Resultater
  • 2.2.1 Fremelskning, selektion og opformering.
  • 2.2.2 Mikroorganismernes vækst
  • 2.2.3 Nedbrydning af propan.
  • 2.2.4 Nedbrydning af MTBE.
    • 2.2.4.1 Afhængighed af propan-koncentrationen.
    • 2.2.4.2 Afhængighed af MTBE-koncentrationen.
  • 2.2.5 Temperatur-følsomhed.
  • 2.2.6 Ilt-følsomhed.
  • 2.2.7 BTEX-følsomhed.
  • 2.2.8 Substrattilførsel
  • 2.2.9 Nedbrydningsprodukter.
  • 2.2.10 Øvrige forhold.
    • 2.2.10.1 Vandtype.
    • 2.2.10.2 Biomasseseparation.
• 2.3 Sammenfatning og vurdering.

2.1 Teori

2.1.1 Biologisk nedbrydning af organiske stoffer

Der er to primære årsager til at mikroorganismer foretager nedbrydning af organiske forureningskomponenter; dels skaffer de sig energi til livsvigtige processer (enzymproduktion m.v.) og dels skaffer de sig kulstof til opbygning af ny cellebiomasse. Afsnit 2.3 indeholder en særskilt gennemgang af teorien omkring mikrobiologisk vækst.

Energi

For at der kan frigives energi ved nedbrydningsprocesserne kræves det, at der sker en oxidation af de organiske stoffer. Derfor foregår nedbrydningen under forbrug af relativt oxiderede forbindelser (elektronacceptorer) samt dannelse af reducerede forbindelser; under ét betegnet redoxprocesser. Tabel 2.1 viser processerne opstillet med de energimæssigt mest favorable nedbrydningsveje først.

Tabel 2.1: Redoxprocesser til nedbrydning af organisk stof.

Overordnet set kan det forventes, at nedbrydning ved aerob respiration foregår hurtigst og medfører størst energiudbytte for mikroorganismerne, hvorfor denne proces umiddelbart er mest interessant i bioreaktorsammenhæng.

Nedbrydningstyper

Under hensyntagen til dækningen af mikroorganismernes behov for energi og kulstof, kan nedbrydningen af et organisk forureningsstof inddeles i to overordnede kategorier:

1.     Primær nedbrydning.

2.     Cometabolisk nedbrydning.

Primær nedbrydning

Ved primær nedbrydning er mikroorganismerne i stand til at vokse direkte på forureningsstoffet, der fungerer både som energi- og kulstofkilde.

Cometabolisk nedbrydning

Ved cometabolisk nedbrydning er mikroorganismerne ikke i stand til at leve og vokse udelukkende på forureningsstoffet, men får dækket deres energi- og kulstofbehov ved nedbrydning af et andet stof (primærsubstratet). Cometabolisk nedbrydning skyldes ofte, at der er en vis strukturmæssig lighed imellem cosubstratet og primærsubstratet og, at mikroorganismernes enzymsystem er så uspecifikt, at det ikke skelner imellem de to stoffer.

Matematisk beskrivelse

Mikrobiel nedbrydning af et organisk stof kan generelt beskrives vha. Michaelis-Menten ligningen, der udtrykker omsætningshastighedens afhængighed af koncentrationen af primærsubstrat.

                                                                        (2.1)

hvor V er den aktuelle omsætningshastighed [mg substrat/g protein/time], V_max er den maksimale omsætningshastighed [mg substrat/g protein/time], S er substratkoncentrationen [mg/L] og K_m er halvmætningskonstanten [mg substrat/L], dvs. den koncentration, hvor der opnås 0,5·V_max.

Figur 2.1 viser en grafisk repræsentation af Michaelis-Menten relationen.

Figur 2.1: Michaelis-Menten relationen.

Forudsætninger

Michaelis-Menten relationen er teoretisk set kun gældende for en renkultur, der nedbryder et enkelt substrat under veldefinerede betingelser mht. temperatur og tilgængeligheden af næringssalte og elektronacceptorer. På trods af dette giver relationen ofte en ganske god empirisk beskrivelse af nedbrydningskinetikken under mindre ideelle forhold.

Forsøg

Den maksimale omsætningshastighed og halvmætningskonstanten kan bestemmes eksperimentelt ved at udføre en række nedbrydningsforsøg ved forskellige substratkoncentrationer. Til hvert nedbrydningsforløb bestemmes en nedbrydningsrate i forsøgets start (initialraten), der plottes som funktion af startkoncentrationen. Dernæst fittes ligning 2.1 til de plottede data indtil de bedste estimater på V_max og K_m er opnået.

Ved bestemmelse af Michaelis-Menten relationen for cometabolisk nedbrydning er det væsentligt at påpege, at nedbrydningshastigheden for cosubstratet står i omvendt forhold til koncentrationen af primærsubstratet. Derfor udføres forsøgsrækken ved en veldefineret koncentration af primærsubstrat.

2.1.2 Nedbrydning af MTBE

MTBE nedbrydes

I 1994 fremkom de første videnskabelige studier, der påviste nedbrydning af MTBE af mikroorganismer, under aerobe forhold (Salanitro et al., 1994) og methanogene forhold (Mormile et al., 1994; Yeh og Novak, 1994). Indtil da havde det været en almindelig antagelse, at MTBE ikke var bionedbrydeligt. Siden 1994 har en lang række studier påvist mikrobiologisk nedbrydning af MTBE under forskellige redox-forhold.

Aerob nedbrydning

Under aerobe forhold er der således påvist såvel primær nedbrydning af MTBE (Steffan et al. 2000; Deeb et al., 2001) som cometabolisk nedbrydning vha. alkanoxiderende mikroorganismer (Steffan et al., 1997; Hyman og O’Reilly, 1999; Miljøstyrelsen 2001). Det vurderes, at længere tids eksponering for MTBE er en væsentlig forudsætning for at der naturligt findes primære MTBE-nedbrydere, mens aerob cometabolisk nedbrydning af MTBE tilsyneladende er forholdsvist udbredt (Loll et al., 2003).

Ud fra den tilgængelige litteratur vurderes biologisk nedbrydning af MTBE under aerobe forhold i store træk at følge forløbet angivet i figur 2.2. På nuværende tidspunkt findes der kommercielt tilgængelige kemiske analyser for MTBE, TBF, TBA, 2-propanol og acetone.

Figur 2.2: Aerob nedbrydningsvej for MTBE (frit efter Steffan et al., 1997 og Deeb et al., 2000).

2.1.3 Mikrobiologisk vækst

Kulstof

Mikroorganismernes cellemateriale består af ca. 50% kulstof, hvorfor der kræves forholdsvist meget kulstof til biovækst. I forbindelse med nedbrydningen af organiske forureningsstoffer i jord og grundvand skaffes det nødvendige kulstof oftest fra forureningsstofferne (heterotrof vækst).

Næringssalte

Udover kulstof kræves også næringssalte, primært kvælstof og fosfor, hvor der for heterotrof omsætning kan regnes med et nødvendigt forhold imellem biomassekulstof (C), kvælstof (N) og fosfor (P); det såkaldte C:N:P-forhold, på 100:10:1 (EPA, 1995). Endvidere kræves mindre mængder af de såkaldte sporstoffer (f.eks. metaller).

Matematisk beskrivelse

Mikrobiel vækst kan generelt beskrives vha. Monod-ligningen, der udtrykker væksthastighedens afhængighed af substratkoncentrationen.

                                                                      (2.2)

hvor μ er den aktuelle specifikke væksthastighed [d^-1], μ_max er den maksimale specifikke væksthastighed [d^-1], S er substratkoncentrationen [mg/L] og K_s er halvmætningskonstanten [mg substrat/L], dvs. den koncentration, hvor der opnås 0,5·μ_max.

Forudsætninger

Monod-ligningen beskriver udelukkende væksthastighedens afhængighed af substratkoncentrationen, hvorfor den kun gælder under givne betingelser mht. alle andre faktorer; f.eks. tilgængeligheden af næringssalte og elektronacceptorer samt temperaturen.

Bestemmelse af μ_max

Det bemærkes, at når substratkoncentrationen bliver meget høj (går mod uendeligt), så nærmer værdien af μ sig μ_max. Den maksimale specifikke væksthastighed kan således bestemmes ud fra et forsøg, udført med en forholdsvis lav biomassekoncentration ved forsøgets start samt en høj substratkoncentration og under veldefinerede betingelser mht. biomassevækst, f.eks. hvor ilt og næringssalte er i overskud (men ikke findes i toksiske niveauer). Da biomassevæksten er stærkt temperaturfølsom udføres forsøget ved en veldefineret temperatur. Dernæst måles der løbende på biomassekoncentrationen og der kan observeres eksponentiel vækst, der kan beskrives vha. ligning 2.3.

                                                                      (2.3)

hvor X er biomassen [mg protein/L] til et givent tidspunkt t [d] og X₀ er biomassekoncentrationen ved starten af forsøget [mg protein/L].

Fordoblingstid

Ud fra ligning 2.3 kan man bestemme den tid det tager for biomassen at vokse til dobbelt størrelse; fordoblingstiden T_d.

                                                                                   (2.4)

2.1.4 Temperaturens betydning

Mikrobiologiske processer som nedbrydning eller vækst er ofte forholdsvist temperaturafhængige, idet mikroorganismerne vil være tilpasset til et mere eller mindre snævert temperaturinterval, svarende til de betingelser, hvorunder de er opvokset eller fremelsket.

Matematisk beskrivelse

Ved beskrivelse af temperaturafhængigheden for mikrobielle nedbrydnings- eller vækstrater kan benyttes en relation baseret på Q₁₀ (Helweg, 1988).

                                                                     (2.5)

hvor T1 er temperaturen, hvorved en mikrobiel rate er målt [°C], T2 er den temperatur, som raten ønskes korrigeret til [°C], V_T1 er raten målt ved T1 [mg/g protein/time] eller [d^-1], V_T2 er raten svarende til T2 [mg/g protein/time] eller [d^-1] og Q₁₀ angiver hvor mange gange raten mindskes, hvis temperaturen sænkes med 10°C.

Såfremt der er målt mikrobielle rater ved to forskellige temperaturer kan Q₁₀ i ligning 2.5 isoleres, hvorved følgende udtryk opnås.

                                                           (2.6)

Q₁₀-værdien for vækst- eller nedbrydningsrater kan forventes at ligge i intervallet 1,5 - 3,5.

2.2 Resultater

Vurdering af teknisk potentiale

Der er udført en række batchforsøg for at kunne vurdere det overordnede tekniske potentiale i at rense MTBE-forurenet grundvand vha. en berigelseskultur af alkanoxiderende mikroorganismer, samt for at afdække eventuelle begrænsninger i metodens anvendelse:

1.     Fremelskning, selektion og opformering.

2.     Mikroorganismernes vækst.

3.     Nedbrydning af propan.

4.     Nedbrydning af MTBE.

5.     Temperatur-følsomhed.

6.     Ilt-følsomhed.

7.     BTEX-følsomhed.

8.     Substrattilførsel.

9.     Nedbrydningsprodukter.

10. Øvrige forhold.

Laboratorieprocedurer

Forsøgene gennemgås i det følgende, mens detaljerne omkring fremgangsmåden ved forsøgsudførelsen er nærmere beskrevet i bilag A.

2.2.1 Fremelskning, selektion og opformering

Formål

Formålet med denne del af projektet var at frembringe en cometabolisk berigelseskultur med MTBE-nedbrydende egenskaber. På baggrund af litteraturoplysninger blev det indledningsvist besluttet, at benytte tre alkaner som mulige primærsubstrater: isopentan, isobutan og propan, og ud fra en screening af disse kulturer udvælge den mest lovende til videre karakteristik, opformering og brug i en laboratorieskala bioreaktor.

Resultater

Screeningsresultaterne fremgår af Miljøstyrelsen (2001), sammen med en beskrivelse af berigelsesproceduren. I det følgende opsummeres resultaterne af screeningen, hvorefter der fokuseres på den udvalgte kultur.

Isopentan som substrat

I Miljøstyrelsen (2001) blev det konkluderet, at kulturen, der var opformeret på isopentan havde op til fem gange højere MTBE-nedbrydningsrater end kulturen, der var fremelsket på propan. Dog var isopentan det af de tre substrater der stillede størst krav til håndtering og materialevalg. Dette skyldes dels, at isopentan er det mindst vandopløselige af de tre substrater, og dels, at isopentan har tendens til at opløse plastic- og gummidele. Følgelig blev det fravalgt at arbejde videre med isopentan som substrat.

Isobutan og propan som substrat

For den isobutanberigede kultur blev der observeret MTBE-nedbrydningsrater, der var ca. 30–75% højere end for kulturen beriget med propan, og der er i Miljøstyrelsen (2001) foretaget et parallelt forsøgsprogram for de isobutan- og propanberigede kulturer, mht. en række faktorer. Af Miljøstyrelsen (2001) fremgår det, at den isobutanberigede kultur blev fundet marginalt mere effektiv end den propanberigede kultur, hvorfor den, alt andet lige, vil medføre en mere økonomisk bioreaktordrift.

Endeligt valg af primærsubstrat

Efterfølgende forsøg viste, at der ved gentagen fremelskning opnås mere ensartede egenskaber og bedre MTBE-nedbrydende egenskaber for den propanberigede kultur, hvorfor der i det følgende fokuseres på egenskaberne for den propanoxiderende kultur. I bilag A.1 er det bedste bud på den mest effektive berigelsesprocedure til opnåelse af en propanoxiderende berigelseskultur med MTBE-nedbrydende egenskaber gengivet.

Opformering

Efter fremelskning og selektion af de propanoxiderende mikroorganismer blev der foretaget en opformering for at skaffe biomasse nok til de følgende batchforsøg og til driften af to laboratorieskala bioreaktorer, samt for at have biomasse ”på lager” i tilfælde af uheld i reaktorerne. Proceduren ved opformering er beskrevet i bilag A.1.

2.2.2 Mikroorganismernes vækst

Formål

Der er to årsager til, at det er interessant at undersøge, hvor hurtigt mikroorganismerne vokser. Dels har det betydning for den tid det tager at opstarte en ny bioreaktor og dels er der i de fleste typer af bioreaktorer et tab af biomasse med udløbsvandet, som f.eks. skal modsvares af vækst eller en mekanisme til biomassetilbageholdelse. Formålet med denne del af projektet var således, at bestemme den maksimale væksthastighed for de propanoxiderende mikroorganismer.

Fremgangsmåde

Da den specifikke væksthastighed er meget temperaturafhængig blev der udført vækstforsøg ved temperaturer på hhv. 23 og 30°C. Den propanoxiderende kultur blev tilsat substrat og ilt i overskud og biomassekoncentrationen blev moniteret over en periode på op til 4 døgn. Fremgangsmåden ved forsøget er beskrevet i bilag A.2.

Resultater

Resultaterne for de udførte forsøg er afbildet i figur 2.3 og det teoretiske grundlag for databehandlingen er gennemgået i afsnit 2.1.3.

Figur 2.3: Vækstkurver for den propanoxiderende berigelseskultur.

Som det fremgår af figur 2.3 blev der fundet vækstrater for kulturen på ca. 0,5 - 1,2 d^-1 ved 23 - 30°C. Disse rater svarer til, at biomassen, under ideelle betingelser med hensyn til adgangen til propan, ilt og næringssalte, fordobles for hhv. hver 31. time (23°C) og hver 14. time (30°C).

Diskussion

De observerede vækstrater ligger i den lave ende af det der i litteraturen er rapporteret for alkanoxiderende bakterier, men i den høje ende af værdier rapporteret for bakterier, der gror udelukkende på MTBE. Typiske vækstrater for alkanoxiderende bakterier ved 30°C ligger således i intervallet 1,1 – 4,6 d^-1 (Heick og Sørensen, 1999; Garnier et al., 1999), mens vækstrater for rene MTBE-nedbrydere ved 20 - 30°C typisk ligger i intervallet <0,01 – 0,86 d^-1 (Salanitro et al., 1994; Cowan og Park, 1996; Steffan et al., 2000; Fortin et al., 2001, Arvin et al., 2003).

Opstart af ny reaktor

I forhold til opstart af en ny reaktor vurderes det, at kulturen vokser tilstrækkeligt hurtigt til, at man kan have den nødvendige biomasse indenfor en periode på omkring 2 - 3 måneder. Efter opstart er det et spørgsmål om, at have noget biomasse ”på lager”, således at man ikke skal begynde forfra hvis et eventuelt driftsuheld fører til at biomassen dræbes.

Tilbageholdelse af biomasse påkrævet

På baggrund af de observerede vækstrater vurderes det, at være urealistisk at opretholde en ønsket biomassekoncentration i en kontinuert bioreaktor med suspenderet biomasse ved vækst alene. I Miljøstyrelsen (2000) er det vurderet, at hydrauliske opholdstider på mindst 80 timer vil være påkrævet hvis biomassekoncentrationen i en kontinuert reaktor ved 10°C skal opretholdes ved vækst alene. Sådanne opholdstider vurderes at være urealistiske i forhold til on-site anvendelse af teknologien, hvorfor det vurderes, at være påkrævet med en form for tilbageholdelse af biomassen, såfremt der benyttes et kontinuert reaktordesign. Mulige reaktordesigns er diskuteret i kapitel 3, mens der i afsnit 2.2.10.2 er foretaget en indledende undersøgelse af mulige mekanismer til biomassetilbageholdelse.

2.2.3 Nedbrydning af propan

Formål

Hastigheden hvormed mikroorganismerne omsætter primærsubstratet afhænger af koncentrationen. Da en bioreaktor i princippet kan køres ved forskellige koncentrationer af propan blev der derfor udført forsøg til bestemmelse af nedbrydningskinetikken for propan. Populært sagt kan forsøgene benyttes til at fastlægge brændstoføkonomien for reaktoren, som funktion af de valgte driftsbetingelser mht. koncentration.

Teori

Nedbrydningskinetikken for primærsubstratet (propan) kan beskrives vha. Michaelis-Menten relationen, jf. ligning 2.7.

                                       (2.7)

hvor V_propan er den aktuelle omsætningshastighed [mg propan/g protein/time], V_{max, propan} er den maksimale omsætningshastighed [mg propan/g protein/time], S_propan er koncentrationen [mg propan/L] og K_{m, propan} er halvmætningskonstanten [mg propan/L], dvs. den propankoncentration, hvor der opnås 0,5·V_{max, propan}.

Fremgangsmåde

Propanomsætningsraten blev bestemt ved 5 forskellige propankoncentrationer samt ved en initial MTBE-koncentration på ca. 10 mg/L. Kulturen blev placeret i serumflasker ved 23°C og propankoncentrationen blev moniteret over en periode på op til 60 timer. Raterne er bestemt som initiale rater. Den nærmere fremgangsmåde ved forsøget er beskrevet i bilag A.3, mens teorien omkring databehandlingen er beskrevet i afsnit 2.1.

Resultater

Mikroorganismernes omsætningsrate som funktion af propankoncentrationen fremgår grafisk af figur 2.4. Af figuren fremgår også 95% konfidensintervaller samt ligning 2.7 fittet til middelraterne.

Figur 2.4: Propanrate som funktion af propankoncentrationen.

Som det fremgår af figur 2.4 blev der opnået estimater for V_max og K_m på hhv. 386 mg propan/g protein/t og 0,40 mg propan/L, hvorved den resulterende Michaelis-Menten relation til beskrivelse af propanomsætningsraten som funktion af propankoncentrationen (ved en MTBE-koncentration på ca. 10 mg/L) er givet ved ligning 2.8.

                                                      (2.8)

Diskussion

I forbindelse med ligning 2.8 er den umiddelbart mest interessante parameter den estimerede K_m-værdi på 0,40 mg propan/L. Jo lavere denne værdi er, desto højere er mikroorganismernes affinitet for substratet; dvs. jo større er mikroorganismernes relative effektivitet ved forholdsvist lave koncentrationer. I den forbindelse er det interessant at bemærke, at den tilsvarende værdi bestemt for berigelseskulturen i projektets første fase var 9 mg propan/L, mens V_max-værdien lå på samme niveau, 405 mg/g protein/L (Miljøstyrelsen, 2001). Denne observation tyder således på at den fortsatte selektion af kulturen har medført, at den er blevet betydeligt mere effektiv til at nedbryde propan ved lave koncentrationer.

Idet cometabolisk nedbrydning af to substrater (primær- og sekundærsubstratet; propan og MTBE) antageligt foregår ved at det samme enzymsystem er så uspecifikt, at det nedbryder begge stoffer må der forventes en grad af konkurrence imellem de to substrater. Hvis man som ovenfor fokuserer på nedbrydningsraterne for propan vil man, alt andet lige, forvente lavere propanomsætningsrater jo højere MTBE-koncentrationen er. Det er således værd at bemærke, at ovenstående relation er gældende ved en MTBE-koncentration på ca. 10 mg/L, og at det må forventes, at nedbrydningsraterne for propan, alt andet lige, er højere ved lavere MTBE-koncentrationer.

Litteraturværdier

Til sammenligning med den estimerede K_m-værdi for de propanoxiderende mikroorganismer kan det oplyses, at Garnier et al. (1999) fandt en K_m-værdi på 0,0029 mg pentan/L for en renkultur af pentanoxiderende mikroorganismer med MTBE-nedbrydende egenskaber, dvs. at denne mikroorganisme har mere end 100 gange så stor substrataffinitet som den propanoxiderende berigelseskultur, der er undersøgt i dette studie. Garnier et al. (1999) fandt en V_max-værdi for pentannedbrydning på ca. 210 mg pentan/g protein/t (ca. værdi omregnet fra g biomasse til g protein); dvs. en værdi der er ca. halvt så stor som værdien for den undersøgte propanoxiderende berigelseskultur.

Substratforbrug for bioreaktor

Ud fra ligning 2.8 kan man estimere substratforbruget for en given bioreaktor. Hvis det eksempelvis vælges at køre reaktoren ved en konstant propankoncentration omkring 0,3 mg/L og der antages en biomassekoncentration i reaktoren på 1 g protein/L, kan omsætningshastigheden for propan (og den nødvendige tilsætning) estimeres til ca. 165 mg propan/L reaktor/t. I forhold til driftsøkonomien for en given bioreaktor er det i forhold til ligning 2.8 væsentligt at påpege, at jo lavere en koncentration, der vælges, jo lavere bliver propanforbruget og det tilsvarende iltforbrug. Da mikroorganismernes energi- og kulstofbehov dækkes udelukkende ved omsætning af propan er der dog en nedre tærskelværdi for hvor lidt propan mikroorganismerne kan nøjes med på sigt.

2.2.4 Nedbrydning af MTBE

Formål

Da der er tale om cometabolisk nedbrydning, hvor propan og MTBE i væskefasen er i konkurrence om mikroorganismernes enzympladser, må det forventes, at MTBE-nedbrydningsraten vil afhænge af propankoncentrationen. Jo højere propankoncentrationen er, jo lavere forventes MTBE-nedbrydningsraten at være.

Derudover vil MTBE-omsætningshastigheden afhænge af MTBE-koncentrationen, således at jo højere MTBE-koncentrationen er, jo højere vil MTBE-omsætningsraten også være.

Bestemmelsen af MTBE-nedbrydningsratens afhængighed af propan- og MTBE-koncentrationen bliver således afgørende for at kunne udføre en kvalificeret dimensionering af en bioreaktor til en given rensningsopgave.

2.2.4.1 Afhængighed af propan-koncentrationen

Fremgangsmåde

Der blev indledningsvist lavet et forsøg til bestemmelse af MTBE-nedbrydningsratens afhængighed af propan-koncentrationen. Til forsøget blev der opstillet 5 serumflasker indeholdende en suspension af mikroorganismerne. Flaskerne blev lukket med gastætte propper og tilsat 10 mg MTBE/L. Herefter blev der tilsat propan til de 5 flasker, således at koncentrationen i flaskerne varierede fra ca. 0,05 – 3 mg/L. Herefter blev kulturen placeret ved 23°C og MTBE-koncentrationen blev moniteret over en periode på op til 60 timer. Den nærmere fremgangsmåde ved forsøget er beskrevet i bilag A.4.

Resultater

De initielle MTBE-rater, samt 95% konfidensintervallet på disse som funktion af propankoncentrationen fremgår grafisk af figur 2.5.

Figur 2.5: MTBE-rate som funktion af propankoncentrationen.

Diskussion

Som det fremgår af figur 2.5 er der observeret en næsten konstant rate på ca. 18 mg MTBE/g protein/t ved propankoncentrationer på mellem 0,05 og 0,3 mg/L. Ved højere propankoncentrationer observeres et kraftigt fald i MTBE-raten og ved propankoncentrationer på over ca. 1 mg/L er raten faldet til et næsten konstant niveau omkring 3,5 til 4 mg MTBE/g protein/t. Ca. 80% af den maksimale MTBE-rate er bibeholdt hvis propankoncentrationen holdes under 0,5 mg propan/L, hvorfor det vurderes, at dette område er mest interessant i forhold til driften af en bioreaktor.

Sammenlignes ovenstående resultater med resultaterne opnået i Miljøstyrelsen (2001) konkluderes det, at den fortsatte selektion tilsyneladende har medført, at kulturen er blevet mere effektiv til at nedbryde MTBE ved forholdsvist lave propankoncentrationer. Ved propankoncentrationer under 0,6 mg/L er der således observeret 50-100% større rater i de seneste forsøg, mens der ved højere propankoncentrationer er observeret god overensstemmelse i mellem de opnåede rater.

2.2.4.2 Afhængighed af MTBE-koncentrationen

Fremgangsmåde

For at bestemme MTBE-ratens afhængighed af MTBE-koncentrationen blev der opstillet 5 serumflasker indeholdende en suspension af mikroorganismerne. Flaskerne blev lukket med gastætte propper og tilsat propan, svarende til en koncentration på ca. 0,06 mg/L. Herefter blev der tilsat MTBE til de 5 flasker, således at koncentrationen i flaskerne varierede fra ca. 4,5 til 200 mg/L. Herefter blev kulturen placeret ved 23°C og MTBE-koncentrationen blev moniteret over en periode på op til 5 timer. Den nærmere fremgangsmåde ved forsøget er beskrevet i bilag A.4.

Teori

Nedbrydningskinetikken for MTBE kan, ligesom for propan, beskrives vha. Michaelis-Menten relationen.

                                          (2.9)

hvor V_MTBE er den aktuelle omsætningshastighed [mg MTBE/g protein/time], V_{max, MTBE} er den maksimale omsætningshastighed [mg MTBE/g protein/time], S_MTBE er koncentrationen [mg MTBE/L] og K_{m, MTBE} er halvmætningskonstanten [mg MTBE/L], dvs. den MTBE-koncentration, hvor der opnås 0,5·V_{max, MTBE}.

Resultater

Mikroorganismernes MTBE-rate som funktion af MTBE-koncentrationen fremgår grafisk af figur 2.6, sammen med ligning 2.9 fittet til raterne. Den aktuelle frekvens af målingerne berettiger desværre ikke til beregning af meningsfyldte konfidensintervaller for raterne.

Figur 2.6: MTBE-rate som funktion af MTBE-koncentrationen.

Som det fremgår af figur 2.6 blev der opnået estimater for V_max og K_m på hhv. 267 mg MTBE/g protein/t og 40 mg MTBE/L, hvorved den resulterende Michaelis-Menten relation til beskrivelse af MTBE-raten som funktion af MTBE-koncentrationen (ved en propan-koncentration på ca. 0,06 mg/L) er givet ved ligning 2.10.

                                                         (2.10)

Diskussion

I forbindelse med de opnåede resultater er det interessant, at der er opnået en K_m-værdi på kun 40 mg/L, mens der i tidligere forsøg med en berigelseskultur af propanoxiderende bakterier udført på Aalborg Universitet blev observeret en K_m-værdi på 142 mg/L (Heick og Sørensen, 1999). Endvidere blev der i projektets første fase opnået en K_m-værdi på 128 mg/L for en berigelseskultur af isobutanoxiderende mikroorganismer (Miljøstyrelsen, 2001). I forhold til studiet af Heick og Sørensen (1999) er der endvidere opnået en væsentligt højere V_max-værdi idet værdien opnået af Heick og Sørensen (1999) var på 43 og mg/g protein/t, svarende til ca. en faktor 6 lavere end i dette studie.

Litteraturværdier

Til sammenligning med resultaterne for de propanoxiderende mikroorganismer kan det yderligere oplyses, at der i litteraturen typisk er opnået K_m-værdier for andre alkanoxiderende mikroorganismer i størrelsesordenen 80-210 mg MTBE/L (Hyman et al., 1998; Garnier et al., 1999), mens der i enkelte studier er opnået K_m-værdier på ≤ 40 mg MTBE/L (Hyman et al., 2000; Hyman et al., 2001). Tilsvarende er der for alkanoxiderende mikroorganismer i litteraturen rapporteret V_max-værdier i mellem 11 og 270 mg MTBE/g protein/t (Hyman et al., 1998; Heick og Sørensen, 1999; Hyman et al., 2000).

MTBE-rater ved lave koncentrationer

I forbindelse med ovenstående sammenligninger er det væsentligt at bemærke, at det er kombinationen af en lav K_m-værdi og en høj V_max-værdi der er afgørende for om der kan forventes opnået høje nedbrydningsrater ved forholdsvist lave koncentrationer. Set i det perspektiv vurderes den undersøgte propanoxiderende kultur at være langt mere effektiv ved lavere koncentrationer end øvrige alkanoxiderende kulturer præsenteret i den internationale litteratur. Således ligger MTBE-raterne for den aktuelle kultur ved koncentrationer under 1 mg MTBE/L en faktor 3 – 7 over raterne for de kulturer, der er præsenteret i litteraturen.

2.2.5 Temperatur-følsomhed

Formål

Alle de ovenstående nedbrydningsrater er bestemt ved en laboratorietemperatur på ca. 23°C mens der under danske forhold typisk kan forventes en temperatur på omkring 10 - 12°C for oppumpet grundvand. Da mikroorganismernes aktivitet, alt andet lige, kan forventes at være langt højere ved 23°C end ved 10 - 12°C er det således væsentligt at kende til kulturens egenskaber ved de forholdsvist lave temperaturer, der svarer til typiske driftsforhold. Ved kendskab til mikroorganismernes temperaturfølsomhed kan de laboratoriebestemte nedbrydningsrater således omregnes til forventede rater ved en realistisk grundvandstemperatur.

Q₁₀ for vækst

På baggrund af vækstraterne fundet ved hhv. 23 og 30°C i afsnit 2.2.2 kan der ved hjælp af ligning 2.6 beregnes en Q₁₀-værdi på 3,0 for den propanoxiderende kultur.

Fremgangsmåde

For at opnå et direkte mål for kulturens temperaturfølsomhed i forhold til nedbrydning af MTBE blev der udført nedbrydningsforsøg ved hhv. 10 og 23°C. Der blev opstillet 2 serumflasker ved hver temperatur. En akklimatiseret suspension af kulturen blev placeret i serumflasker og tilsat hhv. MTBE og propan i mængder svarende til 10 mg MTBE/L og 0,19 mg propan/L. MTBE-koncentrationen blev herefter fulgt over en periode på op til 300 timer. Den nærmere fremgangsmåde ved forsøget er beskrevet i bilag A.5.

Resultater

Nedbrydningsforløbet for MTBE ved de to temperaturer fremgår grafisk af figur 2.7, sammen med 1. ordens nedbrydningsforløb fittet til alle data i måleserierne. Da der var god overensstemmelse i mellem de udførte dobbeltforsøg er 1. ordens-raterne fittet til den samlede datamængde for hver temperatur.

Figur 2.7: Førsteordens MTBE-rater ved 10 og 23°C.

Som det fremgår af figur 2.7 kan der, mht. MTBE-raterne, umiddelbart konstateres en forholdsvis stor temperaturfølsomhed for de propanoxiderende mikroorganismer. For at kunne foretage beregningen af Q₁₀ er det nødvendigt, at normere 1. ordens-raterne mht. begyndelseskoncentrationen, der ikke var ens for de to temperaturer. Når denne normering er foretaget kan Q₁₀-værdien beregnes til 8,8 - gældende for MTBE-nedbrydning i temperaturintervallet 10 – 23°C; dvs. en forholdsvis høj værdi.

Diskussion

I forbindelse med ovenstående nedbrydningsforsøg er der udelukkende blevet målt MTBE. Der er således ikke blevet moniteret for ilt og propan, hvorfor det ikke med sikkerhed kan konkluderes, at der er overskud af primærsubstrat og elektronacceptor over længere forsøgsperioder. Dette vurderes ikke at være kritisk i forhold til forsøgene udført ved 23°C, da det i flere indledende forsøg er konstateret, at disse faktorer ikke bliver begrænsende ved forsøgsperioder på op til ca. 60 timer. I modsætning hertil kan der ikke siges noget entydigt om en mulig substrat- eller elektronacceptor-begrænsning i forsøget udført ved 10°C. Der er således ikke sikkerhed for at de opnåede resultater ved 10°C, og dermed den meget lavere nedbrydningsaktivitet, udelukkende skyldes den lavere temperatur.

Da der endvidere ser ud til at kunne være tale om en kortere lag-fase i nedbrydningsforløbet ved 23°C er der for at opnå et andet bud på temperaturens indflydelse fittet initiale nedbrydningsrater til data i starten af forsøget (eksklusiv vurderet lag-fase). Resultaterne fremgår af figur 2.8.

Figur 2.8: Initiale MTBE-rater ved 10 og 23°C.

Indsættes initialraterne fra figur 2.8 i ligning 2.6 kan der beregnes en Q₁₀-værdi på 2,5, som er gældende i temperaturintervallet mellem 10 og 23°C; altså en væsentligt lavere værdi end den opnået på baggrund af de totale måleserier. Samlet set vurderes det umiddelbart, at denne Q₁₀-værdi ligger i den absolut laveste ende af hvad der er gældende for kulturen.

Litteraturværdier

Til sammenligning med de opnåede resultater for den propanoxiderende kultur kan det nævnes, at der, på baggrund af data i Steffan et al. (1997), kan beregnes Q₁₀-værdier for MTBE- og TBA-nedbrydning på mellem 1,5 og 3,5 (13 - 28°C) for to renkulturer af propanoxiderende mikroorganismer. For en blandingskultur af isobutanoxiderende mikroorganismer observerede Johansen et al. (2001) en Q₁₀-værdi for MTBE-nedbrydningsaktiviteten på 1,6 (10 - 23°C) mens der for væksten af samme kultur observeredes en Q₁₀ på 1,9 (23 - 30°C). På baggrund af oplysninger i Arvin et al. (2003) kan der for MTBE-nedbrydning med en blandingskultur af primære MTBE-nedbrydere beregnes en Q₁₀-værdi på 1,75 (10 - 20°C), mens der på baggrund af data i Cowan og Park (1996) for vækst af en blandingskultur af primære MTBE-nedbrydere kan beregnes en Q₁₀-værdi på 2,4 (20 - 30°C). Sammenstilles ovenstående litteraturoplysninger er der altså fundet Q₁₀-værdier for vækst og nedbrydningsaktivitet der spænder over værdier fra 1,5 til 3,5 (typisk under 2,5) for en række forskellige temperaturer i området 10 - 30°C.

Opsummering

Som det fremgår af det ovenstående er det ikke muligt, at drage nogen entydig kvantitativ konklusion vedrørende den aktuelle propanoxiderende kulturs temperaturfølsomhed, udover at Q₁₀-værdien mht. MTBE-nedbrydning vurderes at ligge i mellem 2,5 og 8,8. Ved sammenligning med en række studier præsenteret i litteraturen må det, ud fra en betragtning om at værdien på 2,5 vurderes at være et absolut minimum, umiddelbart konkluderes, at kulturen er forholdsvist temperaturfølsom.

Reaktordrift ved 12°C

Såfremt det antages, at driften af en given on-site reaktor vil ske ved en temperatur på 12°C, vil de observerede nedbrydningsrater ved 23°C, afhængigt af Q₁₀-værdien skulle divideres med mellem 2,7 og 11. På baggrund af de observerede resultater anbefales det, at der, inden opstilling af en eventuel bioreaktor udføres et indledende batchforsøg ved den aktuelle grundvandstemperatur, således at det kan afgøres om den faktiske nedbrydningsrate er tilstrækkelig til at opnå et fornuftigt reaktordesign.

2.2.6 Ilt-følsomhed

Formål

Ovenstående nedbrydningsforsøg er udført ved tilsætning af ilt i overskud og med kraftig omrystning, dvs. under forhold hvor mikroorganismerne i princippet har ubegrænset adgang til ilt. I en given bioreaktor kan man forestille sig, at iltkoncentrationen ikke altid og alle steder i reaktoren svarer til ilt-mætning, dvs. hvor mikroorganismerne ikke har ubegrænset adgang til ilt. Da en lav iltkoncentration muligvis kan påvirke mikroorganismernes nedbrydningsaktivitet var formålet med nærværende forsøg at bestemme mikroorganismernes ilt-følsomhed udtrykt ved deres aktivitetsniveau som funktion af iltkoncentrationen.

Fremgangsmåde

For at bestemme kulturens ilt-følsomhed i forhold til nedbrydning af MTBE blev der udført nedbrydningsforsøg med 5 forskellige iltkoncentrationer, varierende fra 0 til ca. 8,5 mg O₂/L, samt ved en initial MTBE-koncentration på ca. 10 mg/L og en koncentration af primærsubstrat på 0,05 mg/L. Kulturen blev placeret i serumflasker ved 23°C og MTBE-nedbrydningen blev moniteret over en periode på op til ca. 40 timer. Den nærmere fremgangsmåde ved forsøget er beskrevet i bilag A.6.

Resultater

Den relative MTBE-rate som funktion af iltkoncentrationen fremgår af figur 2.9, sammen med estimerede 95% konfidensintervaller på raterne.

Figur 2.9: Relative MTBE-rater som funktion af iltkoncentrationen.

Diskussion

Som det fremgår af figur 2.9 stiger MTBE-raten forholdsvist hurtigt som funktion af iltkoncentrationen, hvilket indikerer, at ilt-følsomheden for mikroorganismerne ikke er særligt stor. For at få en kvantitativ beskrivelse af MTBE-ratens afhængighed af iltkoncentrationen (dvs. ilt-følsomheden) er der fittet en Michaelis-Menten kurve til middelraterne. K_m-værdien opnået ved dette fit er på 0,28 mg O₂/L, hvilket indikerer, at 50% af den maksimale MTBE-rate opnås ved en iltkoncentration på 0,28 mg/L. Den resulterende beskrivelse kan udtrykkes ved ligning 2.11.

                                                (2.11)

hvor V_MTBE er nedbrydningsraten ved en given iltkoncentration [mg MTBE/g protein/time], V_O2-mætning er nedbrydningsraten ved ubegrænset adgang til ilt [mg MTBE /g protein/time] og C_O2 er iltkoncentrationen [mg O₂/L].

Litteraturværdier

Til sammenligning med de opnåede resultater for den propanoxiderende kultur kan det nævnes, at der på baggrund af data for en blandingskultur af MTBE-nedbrydende mikroorganismer i Koenigsberg et al. (1999) kan estimeres en K_m,O2 på ca. 4 - 5 mg/L, mens Fortin et al. (2001) fandt en K_m,O2 på 6,2 mg/L for en blandingskultur af primære MTBE-nedbrydere. Begge disse værdier er altså væsentligt højere end værdien for den aktuelle mikrobielle kultur, hvilket indikerer, at den aktuelle propanoxiderende kultur er mere effektiv ved lave iltkoncentrationer.

Sammenligning af ilt-følsomhed

Ved en iltkoncentration på f.eks. 2 mg/L vil MTBE-raten for den aktuelle kultur være reduceret med ca. 12% i forhold til den maksimale rate, jf. figur 2.9, mens raten vil være reduceret med mellem 65 og 75% for de øvrige kulturer. Den faktiske MTBE-rate ved en given iltkoncentration vil selvfølgelig afhænge af ratens absolutte niveau.

Betydning for bioreaktordrift

I forhold til drift af en bioreaktor med en kultur af de propanoxiderende mikroorganismer anbefales det, på baggrund af ovenstående resultater, at iltkoncentrationen i en given bioreaktor tilstræbes holdt over ca. 2 mg O₂/L for ikke at opleve en større reduktion i reaktorens nedbrydningskapacitet. I den forbindelse er det væsentligt at holde sig for øje, at den iltkoncentration, der refereres til er den koncentration, som den enkelte mikroorganisme oplever (altså på mikro-niveau), mens den koncentration, der typisk vil kunne måles f.eks. med en ilt-elektrode er koncentrationen i reaktorens bulk-væskefase (på makro-niveau).

Forskellen i mellem de to niveauer vil typisk opstå, hvis mikroorganismerne ikke findes suspenderet som enkeltceller i væskefasen, men har en tendens til at klumpe sig sammen. I dette tilfælde vil en organisme, der sidder i midten af klumpen kunne opleve en lavere iltkoncentration end en organisme, der befinder sig i umiddelbar kontakt med reaktorens bulk-væskefase (og altså den koncentration man vil kunne måle med en ilt-elektrode). For at sikre sig, at den mikroorganisme, der sidder i midten af klumpen har optimale betingelser kan det således være nødvendigt at hæve koncentrationen i bulk-væskefasen til et højere niveau.

Omfanget af ovenstående problemstilling kan ikke afklares på forhånd, da det vil afhænge af en række faktorer; herunder biomassekoncentrationen, mikroorganismernes tendens til at klumpe sig sammen samt reaktorens evne til at ”homogenisere” kulturen. For en given reaktor kan problemets omfang dog undersøges ved at ændre på iltkoncentrationen i bulk-væskefasen og sammenholdes reaktorens volumetriske omsætningshastighed (mg MTBE omsat pr. time) under de forskellige betingelser.

2.2.7 BTEX-følsomhed

Formål

Alle de ovenstående nedbrydningsforsøg for MTBE er udført, hvor kun primærsubstrat og MTBE er til stede. I modsætning hertil vil der i forbindelse med benzinforurenet grundvand typisk være andre benzinkomponenter til stede i det vand, der skal renses, og der er risiko for at tilstedeværelsen af disse andre stoffer kan have en negativ indflydelse på mikroorganismernes evne til at nedbryde MTBE. Der er derfor udført forsøg, der kan give en indikation af hvordan den aktuelle mikrobielle kultur påvirkes af tilstedeværelsen af andre benzinkomponenter.

Fremgangsmåde

For at undersøge kulturens følsomhed i forhold til tilstedeværelsen af andre benzinkomponenter blev der udført forsøg med nedbrydning af MTBE ved fire forskellige benzen-koncentrationer, varierende fra 0 til 45 mg/L, samt ved en MTBE-koncentration på ca. 8,4 mg/L og en substrat-koncentration på ca. 0,12 mg/L. Kulturen blev placeret i serumflasker ved 23°C og propan-, MTBE- og benzen-koncentrationen blev moniteret over en periode på op til ca. 80 timer. Forsøget er beskrevet i bilag A.7.

Resultater

Det tidsmæssige forløb af hhv. propan- og MTBE-koncentrationen fremgår af figur 2.10.

Figur 2.10: Nedbrydningsforløb for propan og MTBE.

Som det fremgår af figur 2.10 sker der ikke nogen hæmning af propannedbrydningen ved benzen-koncentrationer på op til 5 mg/L, mens der sker en hæmning ved en benzen-koncentration på 45 mg/L. I modsætning hertil sker der en hæmning af MTBE-nedbrydningen allerede ved en benzen-koncentration på 1 mg/L. Det blev konstateret, at kulturen var i stand til at nedbryde benzen.

For at visualisere benzen-koncentrationens indflydelse på mikroorganismernes evne til at nedbryde MTBE viser figur 2.11 de relative MTBE-rater som funktion af benzen-koncentrationen. Figuren viser også de initiale benzen-rater samt et Michaelis-Menten forløb fittet til disse rater.

Figur 2.11: Relative MTBE-rater som funktion af benzenkoncentrationen samt Michaelis-Menten kurve for benzen.

Inhibering af MTBEnedbrydningen

For at kvantificere benzen-koncentrationens indflydelse på MTBE-nedbrydningsraterne er det i det følgende antaget, at benzen-koncentrationen påvirker MTBE-nedbrydningen via en mekanisme, svarende til kompetetiv inhibering. Ved denne type inhibering antages det, at det er det samme enzym, der foretager nedbrydningen af både MTBE og benzen. Mekanismen svarer endvidere til den mekanisme, der typisk antages at gælde for cometabolisk nedbrydning af MTBE via alkanoxiderende mikroorganismer.

Det bør bemærkes, at der ikke findes noget belæg for at det rent faktisk er denne mekanisme, der påvirker benzens indflydelse på MTBE-nedbrydningen. Der er således udelukkende tale om en empirisk sammenhæng, der giver en god beskrivelse af de observerede data. Den resulterende beskrivelse er en modifikation af ligning 2.1:

                     (2.12)

hvor V_MTBE er MTBE-raten ved en given benzen-koncentration [mg MTBE/g protein/time], V_max er den maksimale MTBE-rate uden benzen [mg MTBE /g protein/time], jf. ligning 2.10, C_benzen er benzen-koncentrationen [mg/L] og K_i,benzen er inhiberingskonstanten [mg benzen/L], der udtrykker ved hvilken benzen-koncentration mikroorganismernes affinitet for MTBE halveres. Jo lavere K_i,benzen er, jo mere påvirkes MTBE-nedbrydningen i negativ retning.

Som det fremgår af figur 2.11 er K_i,benzen estimeret til en værdi på ca. 1 mg benzen/L ud fra de aktuelle data. Ved en MTBE-koncentration på 1 mg/L svarer denne inhiberingskonstant til, at en benzen-koncentration på ca. 1,05 mg/L vil medføre en halvering af MTBE-raten, mens en benzenkoncentration på f.eks. 0,3 mg/L vil føre til en ca. 20% reduktion af raten.

Benzen-nedbrydning

Af figur 2.11 ses det endvidere, at mikroorganismerne er i stand til at nedbryde benzen såvel som MTBE. Michaelis-Menten beskrivelsen af nedbrydningskinetikken for benzen ved ca. 8,4 mg MTBE/L og 0,13 mg propan/L fremgår af ligning 2.13.

                                                             (2.13)

hvor V_benzen er nedbrydningsraten [mg benzen/g protein/time] og C_benzen er benzen-koncentrationen [mg/L].

Hvis der foretages en sammenligning af nedbrydningskinetikken for MTBE og benzen kan det, på trods af den relativt store forskel i V_max- og K_m-værdierne, konstateres, at de absolutte rater for nedbrydning af MTBE og benzen under de givne betingelser er stort set identiske ved koncentrationer lavere end ca. 2 mg/L, jf. hhv. ligning 2.10 og 2.12.

Benzen ikke toksisk

På baggrund af de udførte forsøg kan det endvidere konstateres, at selvom nedbrydningen af MTBE inhiberes af tilstedeværelsen af benzen, når begge stoffer er til stede, så fortsætter den tilsyneladende med ureduceret hastighed fra det øjeblik benzen er komplet nedbrudt. Med andre ord ser der ikke ud til at være nogen toksisk/vedvarende effekt af benzen i de undersøgte koncentrationsniveauer.

Litteraturstudie

Deeb et al. (2001) fandt for en renkultur af MTBE-nedbrydere, at ethylbenzen og xylener medførte en fuldstændig inhibering af MTBE-nedbrydningen, mens toluen og benzen kun delvist inhiberede MTBE-nedbrydningen. Koenigsberg et al. (1999) undersøgte en blandingskultur der var i stand til at nedbryde MTBE og fandt, at benzen inhiberede MTBE-nedbrydningen. På baggrund af deres data kan det beregnes, at benzenkoncentrationer på 0,15 og 0,3 mg/L sænkede MTBE-raten med hhv. ca. 20 og 70%. Johansen et al. (2001) undersøgte MTBE-nedbrydningen for isobutanoxiderende mikroorganismer og fandt, at benzen inhiberede denne. På baggrund af resultaterne i studiet kan der estimeres en K_i,benzen på ca. 2,1 mg/L. Loll (2002) undersøgte toluens betydning for hhv. ren og cometabolisk MTBE-nedbrydning for mikroorganismer fra et benzinforurenet grundvandssediment. Forsøgene viste, at den rene MTBE-nedbrydning blev totalt inhiberet af toluen. For cometabolisk nedbrydning med propan som primærsubstrat blev der konstateret en 60% reduktion af MTBE-raten. I begge tilfælde kunne det konstateres, at nedbrydningen fortsatte med uforandret rate når toluen var nedbrudt. I Miljøstyrelsen (2004) blev det fundet, at BTEX tilsyneladende havde en positiv indflydelse på MTBE-nedbrydningen.

Sammenfatning

Sammenfattes ovenstående oplysninger vurderes det, at de fleste MTBE-nedbrydere også er i stand til at nedbryde BTEX’er, men at der oftest observeres hel eller delvis inhibering af MTBE-nedbrydningen indtil BTEX’erne er nedbrudt. I de fleste tilfælde genoptages MTBE-nedbrydningen med uformindsket hastighed når BTEX’erne er nedbrudt. Egenskaberne for den aktuelle propanoxiderende blandingskultur er således i overensstemmelse med hovedparten af de resultater, der er præsenteret i litteraturen.

Betydning for bioreaktordrift

På baggrund af de foreliggende resultater for benzen vurderes det umiddelbart, at tilstedeværelsen af BTEX’er i indløbsvandet til en given bioreaktor ikke vil være katastrofalt i forhold til MTBE-nedbrydningen, om end det må påregnes, at MTBE-nedbrydningen vil foregå med reduceret hastighed. Såfremt det oppumpede grundvand indeholder både MTBE og BTEX’er er det muligt, at en samlet set optimal rensning af det forurenede grundvand opnås ved at foretage en forbehandling med henblik på BTEX-fjernelse inden MTBE-filteret.

I forhold til ovenstående bør det dog anføres, at Deeb et al. (2001) observerede, at toluen og benzen kun delvist inhiberede MTBE-nedbrydningen mens ethylbenzen og xylener medførte en fuldstændig inhibering. Da de aktuelle forsøg kun er udført for benzen kan det således ikke udelukkes, at øvrige benzinkomponenter i grundvandet kan have en effekt, der er væsentligt forskellig fra benzens og det anbefales at gennemføre batchforsøg med den aktuelle forureningssammensætning inden en eventuel reaktor sættes op på en aktuel forurenet lokalitet.

2.2.8 Substrattilførsel

Formål

I forbindelse med driften af en bioreaktor kan propan evt. tilføres pulserende. I perioderne mellem pulstilsætningerne kan det vælges, at køre med perioder, hvor der ikke er propan til stede (sulteperioder). Såfremt MTBE-nedbrydningsaktiviteten kan bibeholdes i kortere perioder uden tilsætning af propan vil den samlede propantilsætning kunne mindskes. Dette vil ligeledes medføre en reduktion af iltbehovet, der ved fuldstændig mineralisering af propan er ca. 3,6 g ilt/g propan. Der er således potentiale for at mindske den nødvendige masseoverførsel af gasser (propan og ilt) til reaktorens væskefase, med en mulig driftsbesparelse til følge.

Formålet med forsøgene var således, at undersøge hvordan mikroorganismernes aktivitet påvirkes under forskellige former for pulserende propantilsætning; herunder efter kortere sulteperioder.

Teori

Ved cometabolisk nedbrydning af MTBE med propan som primærsubstrat forventes det, at tilstedeværelsen af propan er en forudsætning for at aktivere det enzymsystem, der sørger for nedbrydningen af både propan og MTBE. Med mindre der er propan tilstede i mikroorganismernes omgivelser produceres enzymet ikke, og der kan således ikke forventes at foregå en nedbrydning af hverken propan eller MTBE. På den anden side er der mulighed for en fortsat enzym- og nedbrydningsaktivitet efter propan er opbrugt, hvis mikroorganismerne har opbygget et tilstrækkeligt energilager i den forudgående periode med tilstedeværelse af propan.

Fremgangsmåde

For at undersøge kulturens evne til at nedbryde MTBE under forskellige strategier mht. pulserende propantilførsel blev der udført følgende nedbrydningsforsøg:

1.       Ét nedbrydningsforløb for MTBE med gentagne tilsætninger af propan, uden mellemliggende sulteperioder.

2.       Ét nedbrydningsforløb for MTBE og propan efter hhv. 0, 1 og 2 dages periode uden tilstedeværelse af propan.

3.       Fornyet tilsætning af MTBE til ovenstående forsøg med 0 dages sult, uden fornyet propantilsætning (ca. 40 timers sult).

Forsøgene blev udført ved 23°C, en MTBE-koncentration på ca. 8,5 mg/L, og en initial propan-koncentration på ca. 0,06 mg/L. MTBE- og propankoncentrationen blev målt over en periode på ca. 50 timer. Forsøgene er nærmere beskrevet i bilag A.8.

Resultater

Det tidsmæssige forløb af hhv. MTBE- og propan-koncentrationen ved gentagne propantilsætninger fremgår af figur 2.12. Grafen viser resultaterne fra to parallelforsøg.

Figur 2.12: Nedbrydningsforløb med gentagne propantilsætninger.

Som det fremgår af figur 2.12 er der konstateret god overensstemmelse imellem de udførte parallelforsøg for både MTBE og propan. Disse resultater benyttes som reference i forhold til de øvrige forsøg.

I figur 2.13 er resultaterne vist for ét nedbrydningsforløb af MTBE og propan efter hhv. 0, 1 og 2 dage uden tilstedeværelse af propan. Bemærk de forskellige tidsakser for de to grafer.

Figur 2.13: Nedbrydningsforløb efter forskellige sulteperioder.

Som det fremgår af figur 2.13 er der, sammenlignet med 0 dages sult, en svag tendens til at MTBE-nedbrydningen går langsommere efter 1 og 2 dages sult, hvorimod propan-nedbrydningen foregår med stort set uændret hastighed. Kvantitativt er initialraten for MTBE nedsat med ca. 25%, mens halveringstiden er forøget med ca. 12-13%. Målt på initialraten og halveringstiden er resultaterne stort set identiske efter 1 og 2 dages sult.

Figur 2.14 viser en sammenligning af nedbrydningsforløbet efter 0 dages sult med forløbet, hvor propan er tilsat gentagne gange.

Figur 2.14: Sammenligning af nedbrydningsforløb.

Som det fremgår af figur 2.14 er der konstateret næsten identiske nedbrydningsforløb i de to forsøg. Det mest markante er således, at der tilsyneladende ikke sker nogen ændring i MTBE-nedbrydningshastigheden, hvad enten der tilsættes propan gentagne gange eller kun en enkelt gang. I forsøget med gentagne tilsætninger forbruges der dog ca. 4 gange mere propan ved nedbrydningen af den samme mængde MTBE.

Der blev således udført forsøg for at se om kulturen er i stand til at opretholde MTBE-nedbrydningsaktiviteten i endnu længere perioder efter bare en enkelt propantilsætning. Figur 2.15 viser resultaterne fra 0 dages sult, hvor der efter 48 timer er tilsat yderligere MTBE. På dette tidspunkt har kulturen skønsmæssigt været uden propan i mere end 40 timer, mens den i slutningen af forsøget har sultet i op mod 90 timer.

Figur 2.15: Nedbrydningsforløb ved gentagen tilsætning af MTBE.

Som det fremgår af figur 2.15 er der efter endnu en tilsætning af MTBE, uden yderligere propantilsætning, konstateret en fortsat nedbrydning af MTBE. Der er dog observeret et markant fald i nedbrydningsraten, med ca. en halvering af den initiale nedbrydningsrate og en tilsvarende fordobling af halveringstiden for MTBE. Det kan dermed konstateres, at kulturen tilsyneladende mister en større del af sin MTBE-nedbrydningseffektivitet ved mellem 40 og 90 timers sult.

Sammenfatning

På baggrund af de udførte forsøg vurderes det, at kulturen er i stand til at genoptage nedbrydningen af både MTBE og propan efter kortere sulteperioder (1 til 2 dage), dog med et mindre tab i nedbrydningseffektiviteten for MTBE. Endvidere vurderes det, at kulturen er i stand til at gennemføre et fuldstændigt nedbrydningsforløb for MTBE med bare en enkelt propantilsætning, uden at dette betyder længere omsætningstider for MTBE. Til gengæld sker der ca. en fordobling i omsætningstiden ved et efterfølgende nedbrydningsforløb for MTBE.

Betydning for bioreaktordrift

På baggrund af de opnåede resultater vurderes det, at der ved at benytte f.eks. pulserende propantilførsel med indlagte sulteperioder, er mulighed for at reducere behovet for masseoverførsel af gasser til reaktorens væskefase. Dette åbner bl.a. mulighed for en reduktion af driftsomkostningerne forbundet med forbruget af propan og ilt.

Da kulturen endvidere er i stand til at overleve sulteperioder på op til 2 dage, uden væsentligt tab i nedbrydningseffektiviteten, vurderes der endvidere, at være tale om en vis robusthed i forhold til eventuelle driftsuheld i forhold til propantilførslen.

2.2.9 Nedbrydningsprodukter

Formål

I litteraturen ses det anført, at der ikke altid kan forventes en fuldstændig mineralisering af MTBE til CO₂ og vand, dvs. at der kan ske en ophobning af mellemprodukter under nedbrydningen af MTBE. Formålet med nærværende forsøg var at undersøge om mikroorganismerne er i stand til at foretage en fuldstændig nedbrydning af MTBE til CO₂ og vand, eller om der eventuelt sker en ophobning af kritiske nedbrydningsprodukter.

Teori

Den forventede nedbrydningsvej for MTBE fremgår af figur 2.2. Ifølge Deeb et al. (2000) kan det forventes, at TBF (tertiær-butyl format) hurtigt nedbrydes (biotisk og abiotisk) til TBA (tertiær-butyl alkohol). Både 2-propanol og acetone er forholdsvist letnedbrydelige. TBA er tilsyneladende det af de analyserbare nedbrydningsprodukter, der har størst tendens til at blive ophobet. Når nedbrydningen foretages af en blandingskultur, som det er tilfældet med den aktuelle kultur, må det alt andet lige forventes, at problemer med ophobning af nedbrydningsprodukter er mindre udtalt end når den foretages af en renkultur.

Fremgangsmåde

For at undersøge mikroorganismernes evne til at mineralisere MTBE blev der udført nedbrydningsforsøg med MTBE, der er radioaktivt mærket (¹⁴C) i to kulstofatomer, jf. figur 2.16.

Figur 2.16: Radioaktivt mærket MTBE.

Forsøgene blev udført ved en MTBE-koncentration på 50 mg/L og en primærsubstratkoncentration på ca. 0,5 mg/L. På baggrund af litteraturoplysningerne vurderes det, at TBA er det af nedbrydningsprodukterne, der har størst tendens til at blive ophobet, hvorfor der er fokuseret på dette nedbrydningsprodukt i forsøgene. Der blev udført dobbeltforsøg til bestemmelse af MTBE- og TBA-koncentrationen som funktion af tiden, mens der blev udført trippelbestemmelse af CO₂-udviklingen. Der blev ligeledes udført et kontrolforsøg. Forsøgene blev udført ved 23°C over en periode på op til 21 døgn. De nærmere detaljer omkring forsøget er beskrevet i bilag A.9.

Resultater

Koncentrationsforløbet af MTBE, TBA og CO₂ fremgår af figur 2.17.

Figur 2.17: Koncentrationsforløb for (a) MTBE og TBA samt (b) ¹⁴CO₂, som % af den teoretiske mængde ved 100% mineralisering.

Som det fremgår af figur 2.17 er der god overensstemmelse imellem tendenserne for de to replikatforsøg til bestemmelse af MTBE og TBA, om end der er nogen forskel i TBA-niveauet. Der er god overensstemmelse imellem replikatforsøgene til bestemmelse af CO₂-udviklingen.

TBA nedbrydes

Som det fremgår af figur 2.17a) ses der i begyndelsen af forsøget (til ca. 50 timer) en markant nedbrydning af MTBE samt en ophobning af TBA. Efterfølgende sker der et fald i TBA-koncentrationen og det kan således direkte konstateres, at mikroorganismerne er i stand til at nedbryde TBA.

MTBE-nedbrydning og sulteperioder

Efter ca. 120 timer er MTBE nedbrudt til et niveau omkring 2-4 mg/L og der sker tilsyneladende ingen yderligere nedbrydning. Der er derfor tilsat ilt, hvilket ikke gav anledning til yderligere nedbrydning. Efter 145 timer er det konstateret, at primærsubstratet er omsat, hvorfor der er tilsat mere. Der ses derefter yderligere nedbrydning af både MTBE og TBA og efter ca. 240 timer er MTBE nedbrudt til et niveau omkring detektionsgrænsen på 0,2 mg/L. På denne baggrund kan det konkluderes, at mikroorganismerne kræver tilstedeværelse af primærsubstrat for en fortsat nedbrydning af MTBE. Som anført i afsnit 2.2.8 har forsøg med sultning dog vist, at mikroorganismerne efter perioder på op til 48 timer uden primærsubstrat har bevaret ca. 75% af deres maksimale nedbrydningspotentiale.

Ophør i TBA-nedbrydningen

Efter at MTBE er nedbrudt til et niveau omkring detektionsgrænsen observeres der ingen yderligere nedbrydning af TBA. Der ses dog stadig en udvikling af CO₂, hvilket må formodes at skyldes en fortsat mineralisering af nedbrydningsprodukter, der ligger efter TBA i nedbrydningsrækken. Umiddelbart tyder det således på, at der efter fjernelsen af MTBE er sket en inhibering af den del af biomassen, der foretager nedbrydningen af TBA, mens den del af biomassen, der foretager en mineralisering af andre nedbrydningsprodukter stadig er svagt aktiv. På baggrund af forsøget kan det ikke afgøres om nedbrydningen af TBA afhænger af tilstedeværelsen af MTBE eller om det er et tilfælde, at TBA-nedbrydningen ophører samtidig med at MTBE forsvinder.

Nedbrydningsrater

På baggrund af resultaterne i figur 2.17 er der bestemt nedbrydningsrater for MTBE og netto-rater for TBA i to forskellige tidsrum af nedbrydningsforløbet. Der er tale om netto-rater for TBA, idet der samtidig med nedbrydningen af TBA også sker en dannelse af TBA ved nedbrydningen af MTBE. Raterne er udregnet i enheden [millimol MTBE/TBA/g protein/time], da der ved nedbrydningen af ét mol MTBE dannes ét mol TBA; raterne for MTBE og TBA er således direkte sammenlignelige. Resultaterne fremgår af figur 2.18.

Figur 2.18: Nedbrydningsrater for MTBE og netto-rater for TBA i to forskellige tidsrum.

Resultaterne fra figur 2.18 er sammenfattet i tabel 2.2, hvor raterne for TBA er beregnet som summen af den observerede netto-rate for TBA og MTBE-nedbrydningsraten (for at korrigere for den simultane dannelse af TBA ved nedbrydning af MTBE). Tabellen angiver middelresultaterne for de replikatforsøgene i hvert tidsrum. Raterne er angivet i enheden [mg/g protein/time] til sammenligning med tidligere opnåede resultater.

Tabel 2.2: Nedbrydningsrater for MTBE og TBA.

Af tabel 2.2 fremgår det, at der i starten af forsøget er konstateret en væsentligt lavere nedbrydningsrate for TBA end for MTBE (5-6 %), mens der senere er konstateret en ca. 2,4 gange højere TBA-rate end MTBE-rate. Når dette vurderes er der to primære forhold der skal holdes for øje:

1.      Da der er tale om en blandingskultur er det ikke nødvendigvis de samme organismer, der foretager nedbrydningen af de to stoffer.

1. Der er væsentlige forskelle imellem koncentrationsniveauerne for de to stoffer i de to tidsrum og raternes absolutte størrelse må i henhold til Michaelis-Menten ligningen forventes at være afhængig af koncentrationsniveauet. I det første tidsrum er der således tale om en forholdsvis stor MTBE-koncentration og en lav TBA-koncentration, mens det modsatte er tilfældet i det andet tidsrum.

Massebalance

Efter ca. 13 dage (307 timer) er den ene af flaskerne til CO₂-bestemmelse opsplittet for at kunne opstille en massebalance for ¹⁴C-mærket kulstof. Ud fra den udviklede ¹⁴CO₂ og de målte koncentrationer af MTBE og TBA er der ligeledes opstillet en massebalance til tiden 50 timer, hvor koncentrationen af TBA topper. Resultaterne fremgår af tabel 2.3.

Tabel 2.3: Massebalance for ¹⁴C-mærket kulstof.

* = Sum af ¹⁴C-mærket kulstof i øvrige nedbrydningsprodukter, biomasse og evt. abiotisk tab.

¤ = Sum af ¹⁴C-mærket kulstof i øvrige nedbrydningsprodukter og evt. abiotisk tab.

Biomasseindbygning

I forhold til resultaterne i tabel 2.3 er det umiddelbart bemærkelsesværdigt, at ca. 11% af det ¹⁴C-mærkede kulstof er blevet indbygget i biomassen når nedbrydningen antages at foregå ved cometabolisme, hvor MTBE ikke er en kulstofkilde for mikroorganismernes vækst. Denne indbygningsprocent svarer således til det der typisk observeres for kulturer af primære MTBE-nedbrydere (Miljøstyrelsen, 2004). I den forbindelse er det dog igen værd at bemærke, at den totale mineralisering af MTBE i blandingskulturen formentlig foretages af en række forskellige mikroorganismer og, at nogle af MTBE’s nedbrydningsprodukter formentlig virker som kulstofkilde for en del af biomassen.

Mineralisering

I forhold til spørgsmålet om mikroorganismernes evne til at foretage en fuldstændig mineralisering af MTBE, er det bemærkelsesværdigt, at der ved forsøgets afslutning stadig er ca. 40% af det ¹⁴C-mærkede kulstof, der befinder sig i fraktionerne ”TBA” og ”øvrige nedbrydningsprodukter”. At dømme ud fra figur 2.17b) har denne fraktion været nogenlunde konstant fra omkring 240 timer. Når det tages i betragtning, at kulturen frem til dette tidspunkt har været i stand til at nedbryde TBA, men efter dette tidspunkt hverken nedbryder TBA eller de øvrige metabolitter i nævneværdig grad, vurderes det umiddelbart, at være et tegn på, at der er sket ophobning af en toksisk metabolit, der ligger efter TBA i nedbrydningsrækken, og som kulturen ikke er i stand til at nedbryde. Denne konklusion understøttes umiddelbart af, at der i forsøget er udviklet maksimalt 50% ¹⁴CO₂, hvilket kunne stamme fra den del af nedbrydningen, der går over formaldehyd og methansyre (jf. figur 2.2).

Toksisk inhibering?

Hvorvidt kulturen er i stand til at foretage en fuldstændig mineralisering af MTBE kan ikke afgøres entydigt ud fra ovenstående resultater, om end der er indikationer på, at der ved nedbrydningen af TBA sker en ophobning af en toksisk metabolit, som kulturen ikke er i stand til at nedbryde. På den anden side ser det ikke umiddelbart ud til at denne ophobning har indflydelse på nedbrydningen af MTBE, som fjernes til under detektionsgrænsen. På baggrund af andre forsøg med kulturen, hvor MTBE-tilsætningen er gentaget efter endt nedbrydning er det endvidere observeret, at MTBE-nedbrydningen foretages med uændret hastighed, og dermed ikke påvirkes irreversibelt. Det er således ikke muligt, at konkludere noget entydigt vedrørende en mulig ophobning af toksiske metabolitter.

Betydning for bioreaktordrift

På baggrund af det udførte forsøg vurderes det, at kulturen er i stand til at foretage en nedbrydning af såvel MTBE som TBA, om end der er tegn på at der evt. sker en ophobning af en eller flere toksiske metabolitter, der ligger efter TBA i nedbrydningsrækken. Hvis der, ved opstillingen af en given reaktorløsning, bliver stillet krav til indholdet af metabolitter i det afledte vand (evt. til indholdet af enkeltkomponenter), anbefales det, at der udføres yderligere forsøg for at afdække problemstillingen.

2.2.10 Øvrige forhold

Følgende øvrige forhold, af mulig betydning ved driften af en given bioreaktor, er undersøgt kvalitativt eller semi-kvantitativt:

1. Vandtypen
2. Biomasseseparation

Hvert af disse forhold er summarisk gennemgået i det følgende.

2.2.10.1 Vandtype

Formål

Umiddelbart ville det være fordelagtigt, hvis en bioreaktor, indeholdende den aktuelle kultur af mikroorganismer ville kunne fungere optimalt uanset vandtypen. Da der er tale om en anabolsk nedbrydning (med opbygning af biomasse) vil der dog være behov for næringssalte i et eller andet omfang. Spørgsmålet er så om den aktuelle vandtype indeholder tilstrækkeligt med næringssalte (primært kvælstof og fosfor), eller om det vil være nødvendigt at supplere med eksterne næringssalte.

Nedbrydning i hanevand langsommere

For at søge et indledende svar på dette spørgsmål blev der udført et indledende forsøg hvor én flaske blev tilsat Aalborg hanevand, jf. den kemiske analyse i bilag C, mens en anden blev tilsat næringsmedie (som i alle de øvrige forsøg). Propan blev tilsat i en initialkoncentration på 0,63 mg/L. Forsøget viste, at propannedbrydningen foregik ca. 2,5 gange langsommere i hanevand end i næringsmedie, hvilket indikerede, at der i det aktuelle hanevand evt. kunne være tale om næringssaltbegrænsning.

Muligvis fosfor-begrænsning

I forhold til almindelig heterotrof omsætning regnes typisk med et nødvendigt forhold imellem biomassekulstof, kvælstof og fosfor (C:N:P-forholdet) på 100:10:1, jf. afsnit 2.1.3. En overslagsberegning viser, at der i det aktuelle forsøg med Aalborg hanevand var et C:N:P-forhold i størrelsesordenen 100:28:0,01 hvorfor det umiddelbart vurderes, at fosfor kan have været en begrænsende faktor i forhold til at opnå en effektiv nedbrydning af propan – og dermed evt. også MTBE.

Betydning for bioreaktordrift

På baggrund af ovenstående resultat vurderes det, at der, i forbindelse med projekteringen af en given bioreaktor, som minimum bør udføres en indledende kemisk analyse for indhold af kvælstof og fosfor på grundvandet fra den aktuelle lokalitet, samt gennemføres en overslagsberegning for at sikre, at C:N:P-forholdet ligger omkring det tilrådelige.

2.2.10.2 Biomasseseparation

Formål og baggrund

Johansen et al. (2001) udførte forsøg, der viste, at den propan-oxiderende kultur ikke umiddelbart var villig til at sætte sig fast på et bæremedie (PVC-ringe, Rockwool, Kvartsuld). På den baggrund vurderes det at være hensigtsmæssigt, at benytte kulturen suspenderet i reaktorvandet, analogt til aktiv-slam anlæg. Denne form for drift kræver dog foranstaltninger til separation af biomassen fra det rensede vand, hvorfor der er udført indledende forsøg til undersøgelse af tre mulige separationsteknikker: Membranfiltrering, sedimentation og flotation.

Membranfiltrering

Der blev benyttet en laboratorieskala Biosep^TM membran, venligst udlånt af Krüger A/S. Membranen fungerer ved at der sidder et bundt spaghettilignende fibre i et eksternt kammer. Fibrene er hule og har en ydre og indre diameter på hhv. 1,9 og 0,9 mm. Selve fibermaterialet er porøst, med porestørrelser på mellem 0,03 og 0,1 μm. Ved at passere det rensede vand med suspenderet biomasse på fibrenes ydersider og påføre fiberhulrummet et vakuum, trækkes det rensede vand ind i fibrenes hulrum og ud af den ene ende, mens biomassen bliver frafiltreret på fibrenes yderside. Efterfølgende afrives biomassen fra fibrenes yderside, dels ved at returskylle, evt. med nyt rensningskrævende grundvand, og dels ved at injicere luftbobler i kammerets bund.

Membranen var særdeles effektiv til at tilbageholde biomassen og viste sig ved senere benyttelse i reaktorforsøgene ligeledes at være driftsikker. Ved anvendelse i en fuldskala reaktor kan membranmodulet evt. placeres internt i reaktorvoluminet, hvorved der opnås et betydeligt simplere design. Fordelen ved en intern placering er, at der ikke er behov for en særskilt pumpe til at pumpe biomassesuspensionen fra reaktoren til membrankammeret og tilbage igen; ulempen er, at der ikke med samme fleksibilitet kan udføres regelmæssig vedligeholdelse og service på filteret. En klar ulempe ved brug af et membranfilter til et fuldskala filter er, at det er en forholdsvis højteknologisk løsning, der kræver en betydelig anlægsinvestering, samt potentielt er forholdsvist krævende i styring, regulering og overvågning.

Sedimentation

Efter igangsættelse af reaktorforsøgene med benyttelse af Biosep^TM-membranen blev der derfor udført et simpelt forsøg for at undersøge om det er muligt at benytte sedimentation som separationsmekanisme. Det vurderes umiddelbart, at sedimentation, vil kunne benyttes med et minimalt behov for styring, regulering og overvågning, og dermed vil kunne være et meget omkostningseffektivt alternativ til membranfiltreringen.

Forsøget blev udført i et 3 liters bægerglas på ca. 50 centimeters højde, med mulighed for at udtage væskeprøver i tre dybder. Koncentrationen af biomassen blev målt i hver dybde til forskellige tidspunkter. Forsøget viste, at der efter ca. 26 minutter var opnået sedimentation af alle sedimenterbare mikroorganismer, og der skete ingen yderligere sedimentation til forsøgets afslutning efter ca. 80 timer. På dette tidspunkt befandt ca. 75% af biomassen sig i de nederste ca. 10% af væskevoluminet. Et efterfølgende screeningsforsøg viste, at den sedimenterede biomasse havde en initial MTBE-nedbrydningsrate, der var ca. 2,5 gange højere end den biomasse, der stadig var i suspensionen efter 80 timer.

Umiddelbart vurderes det, at en sedimentationstid på ca. 30 minutter for en fuldskala bioreaktor er lidt højere end ønsket. Det udførte forsøg viser dog ganske lovende resultater, idet det tilsyneladende er den mest effektive biomasse, der har tendens til at sedimentere. Endvidere vurderes det umiddelbart, at der ved gentagne sedimentationsforløb, evt. med kortere og kortere sedimentationstider, vil ske en selektion af de mikroorganismer, der er bedst til at sedimentere (og muligvis er de bedste MTBE-nedbrydere). Det vurderes således samlet, at der er et stort teknisk og økonomisk potentiale i at benytte sedimentation til biomasseseparation i forbindelse med driften af et givent fuldskalaanlæg.

Flotation

Mod slutningen af projektet blev der ligeledes udført et forsøg for at afgøre om der er mulighed for at benytte flotation som separationsmekanisme. Såfremt mikroorganismerne kan flotere ved indblæsning af luftbobler i bunden af en bioreaktor, evt. gennem det samme system der benyttes til indblæsning af ilt og propan, vurderes det umiddelbart, at kunne give en meget hurtig og omkostningseffektiv separation.

Forsøget blev udført i et 3 liters bægerglas, og flotationen blev sikret med indføring af luft-overmættet vand via en slange nær glassets bund. Forsøget viste rent visuelt en meget effektiv flotering af det meste af biomassen på under et minut. Der blev ikke udført kvantitative forsøg til bestemmelse af hvor stor en %-del af biomassen, der var floteret eller til bestemmelse af de nedbrydningseffektiviteten i de respektive faser. På baggrund af det overbevisende visuelle resultat ved forsøget vurderes det dog umiddelbart, at flotation har potentiale ved en drift af en eventuel bioreaktor.

2.3 Sammenfatning og vurdering

Fremelskning og vækst

Ved gentagne forsøg er det konstateret, at det er forholdsvist let, at fremelske propanoxiderende mikroorganismer med MTBE-nedbrydende egenskaber. De observerede vækstrater for mikroorganismerne svarer til, at biomassen, under ideelle betingelser med hensyn til propan, ilt og næringssalte, fordobles for hhv. hver 14. - 31. time (ved hhv. 30 og 23°C). Såfremt der anvendes et kontinuert reaktordesign vurderes det, at en form for tilbageholdelse af biomassen er påkrævet. I forhold til opstart af en ny reaktor vurderes det, at den nødvendige biomasse kan fremelskes og opformeres indenfor en periode på omkring 2 - 3 måneder.

Nedbrydning af propan og MTBE

Der er udført en række forsøg, der viser, at mere end 80% af den maksimale MTBE-nedbrydningsrate kan bibeholdes ved propankoncentrationer mindre end ca. 0,5 mg/L, ligesom der er udført forsøg til estimering af nedbrydningshastighederne for hhv. propan og MTBE på baggrund af deres respektive koncentrationer. Resultaterne kan benyttes ved et indledende design af en given on-site reaktor.

Temperatur

Det er konstateret, at den aktuelle kultur tilsyneladende er forholdsvis temperaturfølsom, således at der ved typiske danske grundvandstemperaturer (10-12°C) kan forventes 3 til 11 gange lavere MTBE-nedbrydningsrater end ved en temperatur på 23°C (Q₁₀ = 2,5-8,8), svarende til den temperatur hvorved alle de øvrige forsøg er udført.

Ilt

Med hensyn til iltkoncentrationen anbefales det umiddelbart, at koncentrationen i reaktorens bulk væskefase holdes over ca. 2 mg O₂/L for ikke at opleve en større reduktion i reaktorens nedbrydningskapacitet. Hvis mikroorganismerne har tendens til at klumpe sig sammen under de aktuelle driftsbetingelser (omrøring m.v.) kan det være nødvendigt at hæve iltkoncentrationen i væskefasen.

Benzen

Den aktuelle kultur er i stand til at nedbryde benzen med ca. samme hastighed som MTBE (ved koncentrationer under 2 mg/L), men det er konstateret, at benzen medfører en reduceret nedbrydningshastighed for MTBE. Da der kun er udført forsøg med benzen kan det ikke udelukkes, at de øvrige BTEX’er har en anderledes effekt på MTBE-nedbrydningen. Hvis indløbsvandet indeholder både MTBE og BTEX’er er det derfor muligt, at den samlet set økonomisk mest fordelagtige rensning af det forurenede grundvand opnås ved at indsætte et forfilter til BTEX-fjernelse inden MTBE-filteret.

Substrattilførsel

På baggrund af resultaterne for den aktuelle kultur vurderes det, at driftsomkostningerne forbundet med tilsætning og masseoverførsel af propan og ilt kan holdes nede ved at benytte pulserende propantilførsel med kortere sulteperioder imellem pulstilsætningerne. Den undersøgte kultur har endvidere vist sig i stand til at overleve sulteperioder på op til 2 dage, uden væsentligt tab i nedbrydningseffektiviteten, hvorfor den vurderes at være forholdsvis robust i forhold til eventuelle driftsuheld af kortere varighed.

Nedbrydnings-produkter

Forsøg har vist, at kulturen er i stand til at foretage en nedbrydning af såvel MTBE som TBA, om end der er tegn på at der evt. sker en ophobning af en eller flere metabolitter, der ligger efter TBA i nedbrydningsrækken.

Næringssalte

Forsøg med Aalborg hanevand har vist, at der for aktuelle vandtyper kan opstå en næringssaltbegrænsning, der hæmmer MTBE-nedbrydningen. Dette forhold kan indledningsvist afklares ved at foretage en kemisk analyse for indhold af kvælstof og fosfor på grundvandet fra den aktuelle lokalitet, samt foretage en overslagsberegning for at sikre, at C:N:P-forholdet ligger omkring 100:10:1. Det kan således vise sig nødvendigt at tilsætte næringssalte til indløbsvandet for at opnå en hensigtsmæssig nedbrydning af MTBE.

Biomassetilbageholdelse

I forhold til at opnå en tilstrækkelig høj biomassekoncentration i en given bioreaktor har indledende kvalitative forsøg vist, at både sedimentation og flotation kan vise sig at være omkostningseffektive alternativer til membranfiltrering, der vurderes at være et sikkert (om end dyrt) alternativ.

Forforsøg og opstart

Såfremt det påtænkes at opstarte en reaktor til biologisk MTBE-fjernelse med en propanoxiderende mikrobiologisk kultur anbefales det, at der udføres en række forforsøg til afklaring af nogle af kulturens nedbrydningsegenskaber under de aktuelle feltbetingelser:

• Grundvandstypen (næringssalte m.v.).
• Forureningsniveau og -sammensætning (herunder BTEX’er).
• Temperatur.
• Betydningen af iltkoncentrationen vil kunne afklares i reaktorens indkøringsfase ved at justere på iltkoncentrationen og plotte rensningsgraden som funktion af denne.
• Hvis der stilles krav til indholdet af metabolitter i det afledte vand, anbefales det, at der udføres et forforsøg for at afdække om der under de aktuelle betingelser sker en ophobning af nedbrydningsprodukter.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Juli 2007, © Miljøstyrelsen.