Denne rapport skitserer de foreløbige resultater fra et samarbejdsprojekt mellem Dansk
Miljørådgivning A/S og Afdeling for Miljøteknik, Aalborg Universitet. Projektet er
udført under og finansieret af Miljøstyrelsens Teknologiudviklingsprogram for jord- og
grundvandsforurening.
Rapporten er udarbejdet af Per Loll og Claus Larsen, Dansk Miljørådgivning A/S, samt
Kaj Henriksen, Afdeling for Miljøteknik på Aalborg Universitet.
Rapporten er udarbejdet på baggrund af laboratorieundersøgelser udført af Rasmus
Johansen, Laila Kleis Pedersen og Steingerður Gná Kristjánsdóttir, Afdeling for
Miljøteknik på Aalborg Universitet.
Formål
Formålet med dette projekt er, at undersøge om MTBE-forurenet grundvand, i
forbindelse med afværgepumpninger, kan renses cost-effektivt i en on-site bioreaktor vha.
alkanoxiderende mikroorganismer. Denne rapport skitserer resultaterne af en række
batchforsøg, der har haft til formål at danne grundlag for en indledende vurdering af
metodens tekniske potentiale.
MTBE-nedbrydende berigelseskulturer
Ud fra sphagnumholdig havejord har det været muligt at opformere tre forskellige
berigelseskulturer af mikroorganismer med potentiale til cometabolisk nedbrydning af MTBE.
Der er således konstateret MTBE-nedbrydning af kulturer beriget med hhv. propan, isobutan
og isopentan. På trods af, at den isopentanberigede kultur umiddelbart udviste det
største MTBE-nedbrydningspotentiale blev det, af håndteringsmæssige årsager, fravalgt
at arbejde videre med denne kultur.
Nedbrydning af MTBE
Der er for de propan- og isobutanberigede kulturer observeret MTBE-nedbrydningsrater
på hhv. 10,1 og 15,7 mg MTBE/(g protein·time). Der er indledende fundet
halvmætningskonstanter, Km, for MTBE-nedbrydning på ca. 130 150 mg
MTBE/L.
Omsætning af substrat
For omsætningen af propan er der fundet en maksimal omsætningsrate, vmax,
på 405 mg propan/(g protein·time) og en halvmætningskonstant, Km, på 9 mg
propan/L. For isobutan er der tilsvarende fundet vmax- og Km-værdier
på hhv. 289 mg isobutan/(g protein·time) og 3,5 mg isobutan/L.
Mikrobielle væksthastigheder
Der er fundet maksimale væksthastigheder, mmax,
på ca. 0,5 til 1,2 d-1. Disse væksthastigheder vurderes ikke at være
tilstrækkelige til at sikre opretholdelse af biomassekoncentrationen i en given on-site
reaktor og der bør etableres en enhed til tilbageholdelse af biomasse.
Overslagsmæssig dimensionering
Ved overslagsmæssig dimensionering af en optimeret bioreaktor med isobutanoxiderende
mikroorganismer, kan der f.eks. ved 90% massefjernelse samt en hydraulisk belastning på 2
m3/time beregnes et nødvendigt reaktorvolumen på ca. 4,6 m3.
Potentiale for on-site rensning
Samlet vurderes det, at der forholdsvist simpelt kan fremelskes mikroorganismer med
potentiale til nedbrydning af MTBE samt at være sandsynliggjort, at disse kulturer har
potentiale til massefjernelse i forbindelse med on-site rensning af MTBE-forurenet
grundvand i en bioreaktor.
Purpose
The purpose of this project is to investigate whether MTBE contaminated groundwater can
be treated cost-effectively in on-site bioreactors containing alkane-oxidizing
microorganisms. This report summarizes the results from a series of batch tests with the
purpose of revealing the technical potential of the method.
MTBE degrading
enrichment cultures
Three different alkane-oxidizing enrichment cultures with potential for co-metabolic
MTBE degradation were obtained from peat enriched garden soil. Hence, co-metabolic
degradation of MTBE was demonstrated for cultures enriched with propane, iso-butane, and
iso-pentane. Although the culture enriched with iso-pentane exhibited the greatest
degradation potential of the three cultures examined, this culture was excluded from
further study due to substrate handling problems.
Degradation of MTBE
MTBE degradation rates of 10.1 and 15.7 mg MTBE/(g protein·h) were observed for the
propane and iso-butane enriched cultures, respectively. Preliminary results suggests
half-saturation constants, Km, for MTBE degradation of approx. 130 150
mg MTBE/L.
Substrate degradation
For the propane-oxidizing culture, a maximum degradation rate, vmax, of 405
mg propane/(g protein·h) and a half-saturation constant, Km, of 9 mg propane/L
were found. For iso-butane, vmax and Km were found at 289 mg
iso-butane/(g protein·h) and 3.5 mg iso-butane/L.
Microbial growth rates
Maximum microbial growth rates of approx. 0.5 to 1.2 d-1 were found. These
growth rates are not sufficient for ensuring the necessary biomass concentration in an
on-site bioreactor, and a unit for biomass retention should be installed.
Preliminary reactor dimensions
Preliminary dimensions can be estimated for an optimized on-site bioreactor designed
for e.g. 90% mass removal and a hydraulic load of 2 m3/hour. Based on the
results for the iso-butane oxidizing microorganisms a necessary volume of approx. 4.6 m3
is calculated.
Potential for on-site treatment
In conclusion, it has been shown that it is relatively easy to produce enrichment
cultures of microorganisms with a potential for MTBE degradation. It has also been shown
that these cultures has a MTBE mass removal potential for groundwater treatment in on-site
bioreactors.
MTBE i oppumpet grundvand
I forbindelse med afværgepumpning på MTBE-forurenede grunde oppumpes ofte
grundvand indeholdende MTBE og evt. andre benzinrelaterede forureningskomponenter,
herunder BTEXer.
On-site rensning
På grund af MTBEs relativt høje vandopløselighed og dårlige
adsorptionsegenskaber, set i forhold til f.eks. BTEXer og chlorerede
opløsningsmidler, er der ikke umiddelbart nogen af de almindeligvis anvendte on-site
teknikker, der er cost-effektive som eneste behandlingsenhed til rensning af
MTBE-forurenet grundvand, sammenlignet med løsninger til rensning for f.eks. BTEXer
(Skøt, 1998; Keller et al., 2000a).
Aktiv-kulfiltrering
Hvor aktiv-kulfiltrering er en velkendt og cost-effektiv metode til on-site
rensning af oppumpet grundvand for indhold af f.eks. BTEXer noteres det ofte, at
aktiv-kul løsninger ikke umiddelbart udgør nogen hverken teknisk eller økonomisk
optimal løsning til on-site rensning af MTBE-forurenet grundvand (Stub, 1998). Dette
udsagn skal bl.a. ses i lyset af, at kulforbruget under sammenlignelige betingelser er ca.
en faktor 10 større ved rensning for MTBE end ved rensning for BTEXer (Arvin og
Broholm, 2001).
Keller et al. (2000a) har således beregnet, at det er ca. 2 - 4 gange dyrere at rense
for MTBE end for benzen ved en indløbskoncentration på 1 mg/L og et flow på mellem 2
20 m3/time. I (Miljøstyrelsen, 1999) anføres det dog, at rensning for
MTBE ikke nødvendigvis vil fordyre en afværgeforanstaltning baseret på
aktiv-kulfiltrering væsentligt, hvis der alligevel skal fjernes BTEXer, og når
kapitalomkostningerne udgør en væsentlig andel af de samlede omkostninger i forbindelse
med afværgeforanstaltningen.
Kombination af on-site teknikker
F.eks. har Keller et al. (2000b) dog vist, at der ved at kombinere forskellige
teknikker; f.eks. air stripning, membranfiltrering og aktiv-kulfiltrering, kan oprenses
cost-effektivt til meget lave MTBE-koncentrationer.
Teknikker specielt egnet til MTBE
Det vurderes dog, at der er basis for at udvikle og afprøve alternative teknikker,
der ved at være specielt designede til behandling af MTBE-forurenet grundvand, kan være
cost-effektive i forhold til teknikker, der oprindeligt er designet til frarensning af
andre forureningskomponenter.
Biofiltre
Biologiske filtre, baseret på mikroorganismer, der direkte eller indirekte
omsætter MTBE, kan potentielt udfylde en plads i rækken af on-site teknikker til
rensning for MTBE (Miljøstyrelsen, 1999). Rensning i biofiltre har endvidere potentiale
til omdannelse af MTBE til ufarlige nedbrydningsprodukter.
Biofiltre kan enten benyttes som eneste løsning eller i kombination med konventionelle
on-site løsninger til for- og/eller efterbehandling af det forurenede grundvand, alt
afhængigt af de aktuelle mikroorganismers nedbrydningsmæssige egenskaber og deres
robusthed overfor øvrige forureningskomponenter.
Biologisk nedbrydning af MTBE
Selvom der generelt er bred enighed om, at MTBE er forholdsvist svært
bionedbrydeligt, især in-situ, (Miljøstyrelsen, 1998), foreligger der i litteraturen
flere eksempler på, at f.eks. alkanoxiderende mikroorganismer med held er benyttet til at
omsætte MTBE cometabolisk (Steffan et al., 1997; Heick og Sørensen, 1999; Hyman og
OReilly, 1999). Nærværende projekt tager afsæt i resultaterne opnået i disse
studier.
Formål
Formålet med det nærværende projekt er, gennem en række laboratorieforsøg, at
afklare om der er teknisk og økonomisk potentiale i at rense MTBE-forurenet grundvand i
en bioreaktor indeholdende en berigelseskultur af alkanoxiderende mikroorganismer.
Projektstruktur
Projektets laboratoriearbejde er opdelt i to faser:
- Første fase omfatter en række batchforsøg til indledende afklaring af metodens
tekniske potentiale i forhold til on-site rensning af MTBE-forurenet grundvand.
- Anden fase vil primært omhandle indkøring og drift af en laboratorieskala bioreaktor
samt fastlæggelse af optimale driftsbetingelser for denne.
Samlet vurdering
På baggrund af resultaterne fra begge faser vil der blive foretaget en samlet
vurdering af metodens tekniske og økonomiske potentiale.
Nærværende rapport
Nærværende rapport har til formål at beskrive projektets status efter første fase.
Undersøgte primærsubstrater
I det oprindelige projektoplæg var der lagt op til at undersøge potentialet i en
bioreaktor med propanoxiderende mikroorganismer, men på baggrund af resultaterne i et
nyere amerikansk studie af Hyman og OReilly (1999) blev det, efter de
indledende forsøg, besluttet at inddrage to andre alkaner, hhv. isobutan og isopentan,
som mulige primærsubstrater.
Forsøg i projektets første fase
For at undersøge om der er teknisk potentiale i at oprense MTBE-forurenet grundvand i
en on-site bioreaktor indeholdende en berigelseskultur af propan-, isobutan- eller
isopentanoxiderende mikroorganismer blev der i projektets første fase udført følgende
laboratorieforsøg:
- Opformering og screening af berigelseskulturer.
- Yderligere selektion med iso-alkaner.
- Nedbrydningskinetik for primærsubstrat.
- Nedbrydningskinetik for MTBE.
- Bestemmelse af maksimale væksthastigheder.
Vurdering af teknisk potentiale
De opnåede resultater vil danne grundlag for en vurdering af om det er muligt at
tilvejebringe berigelseskulturer med potentiale til at nedbryde MTBE. Resultaterne vil
endvidere give et indtryk af hvilke nedbrydningshastigheder, der kan opnås for MTBE samt
hvilken tilsætning af substrat, der modsvarer denne MTBE-nedbrydning. Resultaterne kan
på denne baggrund give et indledende billede af mulige dimensioner på en on-site
bioreaktor i forhold til krav om massefjernelse (% MTBE fjernet).
Laboratorieprocedurer
En række detaljer omkring fremgangsmåden i forbindelse med de gennemførte forsøg er
nærmere beskrevet i bilag A.
Tilvejebringelse af mikroorganismer
Denne del af projektet havde til formål at tilvejebringe naturligt forekommende
mikroorganismer med potentiale til nedbrydning af MTBE. Proceduren er baseret på et
tidligere studie udført ved Afdeling for Miljøteknik, Aalborg Universitet (Heick og
Sørensen, 1999). Berigelsesproceduren er gengivet skematisk i figur B.1, bilag B.
Berigelse af jordprøver
Tre forskellige berigelseskulturer blev indledende fremelsket ved udtagning af 100
g sphagnumholdig havejord til inkubering ved 23°C i 1 L flasker
med gastætte propper. De tre flasker blev tilsat vand, propan og MTBE som specificeret i
tabel 2.1. Gasfasen i flaskerne blev udskiftet ca. hver anden uge med frisk atmosfærisk
luft og propan.
Tabel 2.1: Stimulering af berigelseskulturer i jord.
Tilsætning af isopentan
Den lavere tilsætning af isopentan blev valgt på baggrund af et studie af
(Garnier et al., 1999), der opnåede maksimal væksthastighed for pentan-oxiderende
bakterier ved en koncentration på 0,085 mg pentan/L. Der blev således lavet to
forskellige berigelser; én hvor der blev tilsat 4 mL isopentangas (svarende til 0,083 mg
isopentan/L) og én hvor der blev tilsat 6 mL isopentangas, jf. tabel 2.4. Der blev
observeret kraftigst vækst i kulturen tilsat 6 mL, hvorfor denne berigelse benyttedes til
de efterfølgende forsøg.
Bedste primærsubstrat
Der er udført nedbrydningsforsøg med de tre kulturer, beriget med hhv. propan,
isobutan og isopentan, for dels at afgøre hvilket substrat, der medfører det største
omsætningspotentiale for MTBE og dels for, om muligt, at fastlægge den optimale
tilsætning af primærsubstrat, set i forhold til MTBE-nedbrydning.
Fremgangsmåde
Screeningen er udført ved fem forskellige koncentrationsniveauer for hvert
primærsubstrat. Kulturerne blev placeret i serumflasker ved 23°C og MTBE-koncentrationen
blev moniteret over en periode på ca. 24 timer. Den nærmere fremgangsmåde ved
screeningen er beskrevet i bilag A.2.
Resultater
MTBE-nedbrydningsraten for de tre berigelseskulturer ved fem forskellige
koncentrationer af hvert primærsubstrat fremgår af tabel D.1 i bilag D. Resultaterne er
afbildet i figur 2.2.
Figur 2.2: MTBE-nedbrydningsrate som funktion af
primærsubstratkoncentration.
Isopentanoxiderende bakterier
Som det fremgår af figur 2.2 er der observeret ca. 125 til 400% højere
nedbrydningsrater for kulturen beriget med isopentan end for de øvrige kulturer.
Resultaterne for den isopentanoxiderende kultur tyder således umiddelbart på, at der er
et væsentligt potentiale for at benytte dette primærsubstrat ved cometabolisk omsætning
af MTBE. Desværre blev der, ved høje koncentrationer af isopentan, observeret delvis
opløsning af de tefloncoatede gummipropper, der benyttes til lukning af serumflaskerne.
Isopentan er samtidig det af substraterne, der er mindst vandopløseligt og sværest at
håndtere i praksis, hvorfor det umiddelbart blev vurderet uegnet til brug i
feltapplikationer. Det ligger dog uden for rammerne af nærværende projekt at undersøge
om de praktiske problemer med håndteringen af substratet kan løses, hvorfor der ikke
blev udført yderligere forsøg med den isopentanberigede kultur.
Propan- og isobutanoxiderende bakterier
Som det fremgår af figur 2.2 blev der for kulturen beriget med isobutan observeret
MTBE-nedbrydningsrater, der var ca. 30 75% højere end for kulturen beriget
udelukkende med propan. Da der samtidig ikke er problemer med håndteringen af isobutan
blev denne berigelseskultur medtaget i det efterfølgende forsøgsprogram.
Substratinhibering
For propan og isobutan blev der observeret faldende MTBE-nedbrydningsrater ved
øget tilsætning af primærsubstrat, samt maksimale rater uden tilsætning af
primærsubstrat. Dette indikerer umiddelbart, at der er tale om en form for
substratinhibering mellem primærsubstrat og cosubstrat (MTBE), hvor primærsubstrat og
cosubstrat kæmper om et endeligt antal enzymer. Det vurderes dog, at raterne opnået uden
tilsætning af primærsubstrat ikke kan opretholdes over længere perioder, idet der
kræves en vis mængde substrat for at dække mikroorganismernes energibehov til
basalmetabolisme samt opretholdelse af deres enzymsystem.
Optimal primærsubstratkoncentration
I forhold til optimal tilsætning af primærsubstrat er der stort set observeret
uændrede MTBE-nedbrydningsrater for de to kulturer indenfor en faktor 10 af
substratkoncentration, jf. figur 2.2. MTBE-nedbrydningsraten for den propanoxiderende
berigelseskultur er således stort set uændret i koncentrationsintervallet 0,06
0,6 mg propan/L, mens raten for den isobutanoxiderende kultur stort set er uændret i
koncentrationsintervallet 0,05 0,5 mg isobutan/L. På baggrund af de foreliggende
resultater kan det ikke afgøres, hvor i koncentrationsintervallet der opnås den optimale
afvejning mellem opretholdelse af enzymaktiviteten og substratinhibering, hvorfor denne
problemstilling vil blive forsøgt nærmere afdækket i projektets fase 2.
Valg af primærsubstratkoncentration
På baggrund af resultaterne vist i figur 2.2 samt ovenstående, blev det valgt at
benytte substratkoncentrationer på ca. 0,6 mg propan/L og 0,5 mg isobutan/L, i forhold
til en optimal omsætningsrate af MTBE samt opretholdelse af mikroorganismernes
enzymaktivitet. Der observeredes ved disse substratkoncentrationer MTBE-nedbrydningsrater
på 10,1 og 15,7 mg MTBE/(g protein·time) for hhv. den propan- og den isobutanoxiderende
kultur, jf. tabel D.1 i bilag D. Begge rater er observeret ved 23°C og en
initialkoncentration af MTBE på ca. 10 mg MTBE/L.
Forbrug af primærsubstrat
Da en given bioreaktor i princippet kan køres ved forskellige
primærsubstratkoncentrationer og da omsætningshastigheden, og dermed den nødvendige
tilsætning, for primærsubstratet afhænger af koncentrationsniveauet, blev der udført
forsøg til bestemmelse af nedbrydningskinetik for primærsubstraterne propan og isobutan.
Michaelis-Menten
Nedbrydningskinetikken for substraterne kan beskrives vha. Michaelis-Menten
relationen, ligning 2.1:
(2.1)
hvor S er substratkoncentrationen [mg substrat/L], v er den
aktuelle substratomsætningshastighed [mg substrat/(g protein·time)], vmax
er den maksimale omsætningshastighed [mg substrat/(g protein·time)] og Km
er halvmætningskonstanten [mg substrat/L], dvs. den substratkoncentration, hvor der
opnås 0,5·vmax.
Fremgangsmåde
Substratomsætningsraten blev bestemt ved 11 propankoncentrationer og ved 9
isobutankoncentrationer. Kulturerne blev placeret i serumflasker ved 23°C og
substratkoncentrationen blev moniteret over en periode på ca. 6 timer. Den nærmere
fremgangsmåde ved forsøget er beskrevet i bilag A.3.
Resultater
Nedbrydningsraterne for de to berigelseskulturer ved de forskellige koncentrationer
af primærsubstrat fremgår af tabel D.2 i bilag D. Resultaterne fremgår grafisk af figur
2.3, sammen med ligning 2.1 fittet til resultaterne. Raterne ved de to højeste
propankoncentrationer (hvor der var størst overtryk i serumflaskerne) er ikke medtaget
idet propperne i disse flasker blev konstateret utætte efter gentagne kanylestik. Da der
således, udover den biologiske omsætning, er sket en abiotisk substratfjernelse blev de
tilsyneladende nedbrydningsrater i disse flasker kunstigt høje.
Figur 2.3: Michaelis-Menten kurver til beskrivelse af
omsætningen af propan og isobutan.
Ved fitningen af ligning 2.1 til de opnåede resultater, jf. figur 2.3, beskriver
Michaelis-Menten relationerne givet ved ligning 2.2 og 2.3, altså
substratomsætningshastigheden som funktion af substratkoncentrationen for hhv. propan og
isobutan.
(2.2)
(2.3)
Substratforbrug
Ved de benyttede primærsubstratkoncentrationer på hhv. ca. 0,6 mg propan/L og 0,5
mg isobutan/L, jf. afsnit 2.2.2, kan der vha. ligning 2.2 og 2.3 beregnes
omsætningshastigheder for primærsubstraterne på hhv. ca. 25,3 og 36,1 mg substrat/(g
protein·time). Disse rater er fundet ved 23°C.
Reaktordimensionering
For at kunne udføre såvel hydraulisk som biologisk dimensionering af en
bioreaktor til en given rensningsopgave; herunder for at kunne designe reaktoren, så den
kan leve op til givne krav til oprensningsniveau (mg/L i udløb) og rensningsgrad (%
massefjernelse), er det nødvendigt at have en god bestemmelse af berigelseskulturens
nedbrydningskinetik for MTBE.
Kinetik for den propanoxiderende kultur
Ved tidligere forsøg udført på Aalborg Universitet, (Heick og Sørensen, 1999),
blev der fundet vmax og Km værdier for en berigelseskultur af
propanoxiderende bakterier på hhv. ca. 43 mg MTBE/(g protein·time) og 142 mg MTBE/L ved
ca. 0,6 mg propan/L og 23°C.
Kinetik for den isobutanoxiderende kultur
I den første fase af nærværende projekt blev der derfor ikke udført forsøg til
bestemmelse af Michaelis-Menten parametrene for den propanoxiderende berigelseskultur, da
det blev vurderet mere relevant at opnå parametre for den isobutanberigede kultur, der
kunne danne grundlag for en sammenligning af de to kulturer.
Fremgangsmåde
MTBE-nedbrydningsraten blev bestemt ved fem forskellige MTBE-koncentrationer.
Kulturerne blev placeret i serumflasker ved 23°C og MTBE-koncentrationen blev moniteret
over en periode på ca. 1 7 døgn. Den nærmere fremgangsmåde ved forsøget er
beskrevet i bilag A.4.
Resultater
Nedbrydningsraterne ved de forskellige koncentrationer af MTBE fremgår af tabel
D.3 i bilag D. Resultaterne fremgår grafisk af figur 2.4, sammen med ligning 2.1, fittet
til resultaterne.
Figur 2.4: Michaelis-Menten kurve for nedbrydning af MTBE vha. den
isobutanberigede bakteriekultur.
Som det fremgår af figur 2.4 er der bestemt en halvmætningskonstant, Km,
på 128 mg MTBE/L og en maksimal MTBE-nedbrydningsrate, vmax, på 7,3 mg
MTBE/(g protein·time).
Ikke-idéelle forsøgsbetingelser
Det bemærkes, at den fundne vmax ligger væsentligt under den i afsnit
2.2.2 bestemte rate. Her blev nedbrydningsraten således bestemt til 15,7 mg MTBE/(g
protein·time) ved samme koncentration af isobutan (ca. 0,5 mg/L) og ved 10 mg MTBE/L.
Dette forhold tilskrives, at en del af biomassen under automatisk omrystning adsorberede
til tørre områder af glasvæggen i forsøgsflaskerne og dermed ikke var i god kontakt
med opløsningen. Under den indledende screening blev flaskerne rystet manuelt med jævne
mellemrum, hvorved dette problem kunne undgås.
I de følgende beregninger tages der udgangspunkt i den MTBE-nedbrydningsrate på 15,7
mg MTBE/(g protein·time), der blev bestemt under den indledende substratscreening, jf.
afsnit 2.2.2.
Km for den isobutanoxiderende kultur
Den fundne Km-værdi på 128 mg MTBE/L kan antages at være
repræsentativ for berigelseskulturen under forudsætning af, at andelen af adsorberet
biomasse var ens i de fem forsøgsflasker, der ligger til grund for resultaterne i figur
2.4. Dette skyldes, at Km, i modsætning til vmax, er en
bakteriespecifik parameter, der ikke afhænger af biomassens absolutte størrelse. Til
sammenligning med den fundne Km-værdi på 128 mg/L opnåede (Heick og
Sørensen, 1999) en Km-værdi på 142 mg/L for en berigelseskultur af
propanoxiderende bakterier. I litteraturen er der angivet et generelt niveau for Km
på ca. 80 210 mg/L, ved cometabolisk omsætning af MTBE vha. forskellige
alkanoxiderende bakterier (f.eks. Hyman et al., 1998; Garnier et al., 1999). Samlet
vurderes det således, at den opnåede Km-værdi ligger forholdsvis tæt på
den "sande" Km-værdi for berigelseskulturen.
vmax for den isobutanoxiderende kultur
Hvis det antages, at den ovenfor bestemte Km-værdi på 128 mg MTBE/L er
repræsentativ for den isobutanoxiderende kultur og, hvis MTBE-nedbrydningsraten (ved 10
mg MTBE/L) på 15,7 mg MTBE/(g protein·time), jf. afsnit 2.2.2, benyttes, kan der vha.
ligning 2.1 beregnes en vmax-værdi på ca. 217 mg MTBE/(g protein·time).
vmax for den propanoxiderende kultur
Hvis det for den propanoxiderende kultur tilsvarende antages, at Km-værdien
på 142 mg MTBE/L er repræsentativ for kulturen, og hvis MTBE-nedbrydningsraten (ved 10
mg MTBE/L) på 10,1 mg MTBE/(g protein·time), jf. afsnit 2.2.2, benyttes, kan der vha.
ligning 2.1 beregnes en vmax-værdi på ca. 152 mg MTBE/(g protein·time).
Kinetik for MTBE-nedbrydning
På baggrund af ovenstående forudsætninger kan der opstilles Michaelis-Menten
relationer til beskrivelse af MTBE-nedbrydningsraten som funktion af MTBE-koncentrationen
for hhv. den propan- og den isobutanoxiderende berigelseskultur; ligning 2.4 og 2.5.
(2.4)
(2.5)
hvor SMTBE er MTBE-koncentrationen i væskefasen [mg MTBE/L] og vMTBE
er MTBE-nedbrydningsraten [mg MTBE/(g protein·time)].
Hvis forudsætningerne holder har den isobutanberigede kultur altså ca. 40% højere
maksimalt nedbrydningspotentiale for MTBE end den propanberigede kultur.
Yderligere forsøg i projektets 2. fase
Det foreliggende datagrundlag vurderes dog ikke at være tilstrækkeligt som
redskab ved dimensionering af on-site rensningsløsninger, hvorfor forsøget til
fastlæggelse af Michaelis-Menten kinetikken for den isobutanoxiderende kultur gentages i
projektets fase 2, sammen med et tilsvarende forsøg for den propanoxiderende kultur.
Opretholdelse af ønsket biomassekoncentration
For at afklare om det er realistisk at opretholde en ønsket biomassekoncentration,
under drift af en given bioreaktor, ved mikrobiel vækst alene, blev der udført forsøg
til bestemmelse af de maksimale væksthastigheder for den propan- og den
isobutanoxiderende berigelseskultur. Det er således undersøgt om bakterierne kan vokse
hurtigt nok til ikke at blive skyllet ud, eller om der kræves en enhed til
tilbageholdelse af biomasse i forbindelse med reaktordriften.
Fremgangsmåde
Den maksimale specifikke væksthastighed blev for hver af de to berigelseskulturer
bestemt ved to forskellige temperaturer (23 og 30°C). Kulturerne blev tilsat substrat og
ilt i overskud og biomassekoncentrationen blev moniteret over en periode på ca. 2
5 døgn. Den nærmere fremgangsmåde ved forsøget er beskrevet i bilag A.5.
Resultater
Biomassekoncentrationerne som funktion af tiden fremgår af tabel D.4 i bilag D.
Resultaterne for de udførte forsøg ved hhv. 23 og 30°C er afbildet i figur 2.5.
Figur 2.5: Vækstkurver for propan- og isobutanoxiderende
berigelseskulturer ved 23 og 30°C.
Vækstrater
Som det fremgår af figur 2.5 er der fundet vækstrater for de to berigelseskulturer
på ca. 0,5 1,2 d-1 ved 23 30°C. Disse rater ligger umiddelbart
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 20 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 tilsvarende ligger i intervallet <0,01
1,45 d-1 (Salanitro et al., 1994; Park og Cowan, 1997).
Hydraulisk opholdstid; tilbageholdelse af biomasse påkrævet
Hvis biomassekoncentrationen i en reaktor skal kunne opretholdes ved vækst alene kan
det, på baggrund af de observerede vækstrater, konkluderes, at der kræves hydrauliske
opholdstider på mindst 20 timer. Dette er vel at mærke ved 30°C og høje
substratkoncentrationer, der ikke er ønskelige i forhold til en effektiv
MTBE-nedbrydning, jf. figur 2.2. Væksten ved 10°C må endvidere forventes at være ca. 4
10 gange mindre end ved 30°C, hvorved de påkrævede hydrauliske opholdstider
tilsvarende vil blive 4 10 gange større. En afværgepumpning på 1 m3/time
ville således skulle matches af en reaktor på minimum 80 m3, hvilket vurderes
at være urealistisk i forhold til on-site anvendelse af teknologien. Det er således
nødvendigt med en form for tilbageholdelse af biomassen i den kontinuerte bioreaktor,
f.eks. ved membranfiltrering og recirkulation, som angivet af (Pitre og Steffan, 1997).
Overslagsmæssig dimensionering
På baggrund af de opnåede laboratorieresultater vil der i det følgende blive
udført indledende overslagsberegninger for dimensionering af en on-site bioreaktor til
fjernelse af MTBE. Beregningerne skal udelukkende benyttes til indledende diskussion af de
tekniske perspektiver for etablering af on-site biofiltre baseret på cometabolisk
nedbrydning og ikke som nogen endelig dimensioneringsvejledning.
Overordnede forbehold
Der er i beregningerne ikke taget hensyn til en eventuel tilstedeværelse af
øvrige forureningskomponenter, f.eks. BTEXer, der evt. kan medføre yderligere
iltforbrug og/eller hæmning af MTBE-nedbrydningen. Der er ligeledes set bort fra den
mulige betydning af grundvandets kemiske beskaffenhed, ligesom forhold omkring substrat-
og ilttilsætning kun er diskuteret på et overordnet plan. En række af disse
problemstillinger vil blive undersøgt nærmere i projektets anden fase.
Temperaturkorrektion
Idet nedbrydningsraterne for substrater og MTBE er bestemt ved 23°C skal disse
korrigeres til en temperatur, der anses for at være realistisk i forbindelse med praktisk
drift af en on-site reaktor. Nedbrydningsraterne kan temperaturkorrigeres vha. en relation
baseret på Q10 (Helweg, 1988):
(3.1)
hvor T1 er temperaturen, hvor nedbrydningsraten er målt [°C], T2 er den
temperatur, som raten ønskes korrigeret til [°C], vT1 er
nedbrydningsraten svarende til T1 [mg/(g protein·time)], vT2 er
nedbrydningsraten svarende til T2 [mg/(g protein·time)], Q10 er
en korrektionsfaktor, der angiver hvor mange gange raten mindskes, hvis temperaturen
sænkes 10°C.
Drift ved 10°C
I det følgende antages det, at driften af en given on-site reaktor vil ske ved en
temperatur på 10°C (T2), svarende ca. til grundvandstemperaturen under dansk forhold.
For nedbrydning af miljøfremmede stoffer i jord og grundvand observeres typisk Q10-værdier
i intervallet 2 4 (Helweg, 1988). I det følgende antages en Q10-værdi
på 3 at være gældende. I projektets anden fase udføres der bl.a. supplerende
batchforsøg til fastlæggelse af nedbrydningsrater ved 10°C, der kan benyttes til
fastlæggelse af Q10-værdier for de aktuelle berigelseskulturer.
Biomassekorrektion
Da de fundne nedbrydningsrater endvidere er normeret til biomassekoncentrationen,
udtrykt ved koncentrationen af celleprotein, må der ved disse overslagsberegninger
antages en biomassekoncentration for en given on-site reaktor.
10 g protein/L
I (Pitre og Steffan, 1997), hvor der blev opstillet en pilot-skala bioreaktor til
cometabolisk rensning af MTBE-forurenet grundvand, blev der under testperioden opnået en
biomassekoncentration svarende til ca. 2 g protein/L. (Pitre og Steffan, 1997) vurderer,
at der ved optimeret reaktordrift, incl. ultrafiltrering og recirkulation, kan opnås en
biomassekoncentration svarende til ca. 10 - 15 g protein/L. I de følgende beregninger
antages der en biomassekoncentration på 10 g protein/L, svarende til en optimeret
bioreaktor med ultrafiltrering og recirkulation til tilbageholdelse af biomasse. I
projektets anden fase udføres der bl.a. reaktorforsøg med tilbageholdelse og
recirkulation af biomasse, der kan give en indikation af hvilke biomassekoncentrationer,
der potentielt kan opnås.
MTBE-nedbrydning ved 10°C og 10 mg/L
Med hensyn til omsætningsraten for MTBE, observeredes der nedbrydningsrater på
hhv. 10,1 og 15,7 mg MTBE/(g protein·time), ved primærsubstratkoncentrationer på hhv.
ca. 0,6 mg propan/L og 0,5 mg isobutan/L, jf. afsnit 2.2.2. Disse rater er bestemt ved en
temperatur på 23°C og en MTBE-koncentration på 10 mg MTBE/L. Hvis raterne korrigeres
til 10°C for en optimeret bioreaktor med 10 g protein/L, beregnes rater på hhv. 24 og 38
g MTBE/(m3 reaktor·time) for de propan- og isobutanberigede kulturer, ved 10
mg MTBE/L.
Ideelt opblandet reaktor
Hvis bioreaktoren, pga. mekanisk omrøring, regnes ideelt opblandet, vil
MTBE-koncentrationen i udløbet svare til koncentrationen i reaktoren, og dermed til
driftspunktet på Michaelis-Menten kurven for MTBE-nedbrydning. Hvis der således ønskes
en MTBE-koncentration på f.eks. 1 mg MTBE/L i udløbet skal de ovenfor beregnede
MTBE-nedbrydningsrater korrigeres til denne MTBE-koncentration.
MTBE-nedbrydning ved 10°C og 1 mg/L
I det følgende antages ligning 2.4 og 2.5, afsnit 2.4, at være gældende til
beskrivelse af MTBE-nedbrydningsratens afhængighed af MTBE-koncentrationen (ved 23°C).
Hvis nedbrydningsraterne korrigeres til 10°C for en optimeret bioreaktor med 10 g
protein/L, kan der beregnes MTBE-nedbrydningsrater på hhv. ca. 2,5 og 4 g MTBE/(m3
reaktor·time) ved 10°C og 1 mg MTBE/L i udløbet.
Substratforbrug ved 10°C
For primærsubstraterne, observeredes der, ved 23°C og koncentrationer på hhv.
ca. 0,6 mg propan/L og 0,5 mg isobutan/L, nedbrydningsrater på ca. 25,3 mg propan/(g
protein·time) og 36,1 mg isobutan/(g protein·time), jf. afsnit 2.3. Hvis raterne
korrigeres til 10°C for en optimeret bioreaktor med 10 g protein/L, beregnes vha. ligning
2.5 rater på hhv. ca. 60 og 85 g substrat/(m3 reaktor·time) for de propan- og
isobutanberigede kulturer.
Hydraulisk belastning og massefjernelse
I de følgende beregninger dimensioneres en hypotetisk bioreaktor til en hydraulisk
belastning på 2 m3/time og 90% massefjernelse for MTBE. Der tages udgangspunkt
i den isobutanberigede kultur og der ses på to forskellige scenarier; ét hvor der fra
100 mg MTBE/L i indløbet renses ned til 10 mg MTBE/L og ét hvor der renses fra 10 til 1
mg MTBE/L.
Dimensionering:
100 til 10 mg MTBE/L
I det første tilfælde skal der fjernes 180 g MTBE/time. Da nedbrydningsraten for den
optimerede bioreaktor er ca. 38 g MTBE/(m3 reaktor·time) bliver det
nødvendige reaktorvolumen ca. 4,7 m3. Ved denne driftssituation skal der
tilsættes ca. 400 g isobutan, svarende til ca. 2,2 g isobutan pr. g MTBE, der fjernes.
Den hydrauliske opholdstid bliver ca. 2 timer og 20 min.
Dimensionering:
10 til 1 mg MTBE/L
I det andet tilfælde skal der fjernes 18 g MTBE/time. Da nedbrydningsraten under disse
forhold er ca. 4 g MTBE/(m3 reaktor·time) bliver det nødvendige
reaktorvolumen ca. 4,5 m3. Ved denne driftssituation skal der tilsættes ca.
380 g isobutan, svarende til ca. 21 g isobutan pr. g MTBE, der fjernes. Den hydrauliske
opholdstid bliver ca. 2 timer og 15 min.
Dimensionering:
Propanoxiderende bakterier
Tilsvarende beregninger kan foretages for den propanberigede kultur, hvorved der opnås
nødvendige reaktorvoluminer på hhv. 7,5 og 7,0 m3 og substratforbrug på hhv.
ca. 2,6 og 25 g propan/g MTBE, der fjernes. De hydrauliske opholdstider bliver hhv. 3
timer og 45 min, og 3 timer og 30 min.
Ilt- og substratbehov
Det bør bemærkes, at ovenstående overslagsberegninger er udført under forudsætning
af, at bakterierne har ideelle betingelser mht. ilt- og substrattilførsel. Det
støkiometriske iltforbrug ved oxidation af propan- og isobutan er hhv. 1,2 og 0,9 g O2/g
substrat, hvilket for ovenstående scenarier vil medføre iltbehov på ca. 180 280
g O2/m3 vand, der behandles. Da der samtidig skal tilføres 190
240 g substrat/m3 vand, skal der altså overføres betydelige
gasmængder til væskefasen, hvorved masseoverførsel og stripning af
forureningskomponenter kan vise sig, at blive væsentlige aspekter ved dimensionering af
et givent on-site biofilter.
Mulig faktor 10 reduktion af ilt- og substrattilsætning
Som anført i afsnit 2.2.2 er der mulighed for, at stort set samme
MTBE-nedbrydningsrater, som skitseret i de ovenstående beregninger, kan opretholdes med
substratkoncentrationer der er ca. en faktor 10 lavere end de umiddelbart anvendte; med en
tilsvarende reduktion af den nødvendige ilttilsætning til følge. Disse forhold vil
blive søgt nærmere afdækket under indkøringen af en laboratorieskala bioreaktor i
projektets 2. fase.
Opformering af berigelseskultur på propan
Det kan på nuværende tidspunkt konkluderes, at det har været muligt at stimulere og
opformere berigelseskulturer med potentiale til cometabolisk nedbrydning af MTBE. Der er
således opformeret to berigelseskulturer af propanoxiderende mikroorganismer ved
berigelse af sphagnumholdig havejord med 1) propan alene og 2) propan og MTBE. Ved
screening af MTBE-nedbrydningen for de to berigelseskulturer viste det sig, at
nedbrydningspotentialet var ca. 2 7 gange så stort for kulturen beriget med både
propan og MTBE, som for kulturen beriget med propan alene.
Opformering af berigelseskulturer på isobutan og isopentan
På baggrund af et amerikansk studie blev der iværksat en yderligere selektion for
mikroorganismer med potentiale til MTBE-nedbrydning ud fra den propanoxiderende
berigelseskultur; dels ved berigelse med af isobutan og dels ved berigelse med isopentan.
For disse kulturer blev der opnået MTBE-nedbrydningsrater, der var op mod hhv. 75 og 400%
højere end for den propanoxiderende berigelseskultur, med de højeste rater opnået for
kulturen beriget med isopentan. Desværre viste isopentan sig, at være svært at
håndtere samt, at opløse de teflonbelagte gummipropper, der blev benyttet til
forsøgene. Isopentan blev derfor af praktiske årsager fravalgt som muligt
primærsubstrat.
Nedbrydningsrater for MTBE
På baggrund af substratscreeningen anbefales det umiddelbart, for de propan- og
isobutanoxiderende berigelseskulturer, at benytte substratkoncentrationer på hhv. ca. 0,6
mg propan/L og 0,5 mg isobutan/L. Ved disse koncentrationer blev der observeret
MTBE-nedbrydningsrater, svarende til hhv. 24 og 38 g MTBE/(m3 reaktor·time),
for en optimeret reaktor med 10 g protein/L, ved 10 mg MTBE/L og 10°C.
Km-værdier for MTBE-nedbrydning
Der er indledende fundet halvmætningskonstanter, Km, for MTBE-nedbrydning
ved hhv. ca. 0,5 mg isobutan/L og 0,6 mg propan/L på ca. 130 150 mg MTBE/L. Disse
Km-værdier vil blive forsøgt bedre fastlagt i projektets fase 2.
Kinetik for omsætning af primærsubstrat
Der er, for omsætningen af propan, fundet vmax- og Km-værdier
på hhv. 405 mg propan/(g protein·time) og 9 mg propan/L. For isobutan er der tilsvarende
fundet vmax- og Km-værdier på hhv. 289 mg isobutan/(g
protein·time) og 3,5 mg isobutan/L. Ved koncentrationer på hhv. ca. 0,6 mg propan/L og
0,5 mg isobutan/L kan der således beregnes omsætningshastigheder på hhv. 60 og 85 g
substrat/(m3 reaktor·time), for en optimeret reaktor med ca. 10 g protein/L
ved 10°C.
Mikrobielle væksthastigheder
Ved forsøg udført ved 23 og 30°C og med høje substratkoncentrationer, er der fundet
maksimale væksthastigheder på mellem 0,5 og 1,2 d-1. På denne baggrund
vurderes det, at mikroorganismernes væksthastigheder ikke er tilstrækkelige til at sikre
opretholdelse af biomassekoncentrationen i en given on-site reaktor ved vækst alene. I
tilknytning til en on-site reaktor skal der således etableres en enhed til
tilbageholdelse af biomasse.
Perspektiver for on-site reaktor
Ved en indledende dimensionering af en on-site bioreaktor, baseret på de opnåede
resultater for den isobutanberigede kultur, kan der f.eks. ved 90% massefjernelse for MTBE
samt en hydraulisk belastning på 2 m3/time beregnes et nødvendigt
reaktorvolumen på hhv. 4,7 og 4,5 m3, afhængigt af om der skal renses fra 100
til 10 mg MTBE/L eller fra 10 til 1 mg MTBE/L. Der kan i disse to tilfælde beregnes et
forbrug af primærsubstrat på hhv. ca. 2,2 og 21 g isobutan/g MTBE.
Forbehold ved opskalering
Ovenstående beregninger er udført som simple overslagsberegninger ud fra de opnåede
laboratorieresultater; dvs. under forudsætning af, at der kan opretholdes ideelle
betingelser mht. ilt- og substrat for al biomasse i en given on-site reaktor. Der kan dog
vise sig, at være væsentlige praktiske problemer med tilførsel af tilstrækkelige
mængder ilt og substrat samt evt. stripning af forureningskomponenter ved opskalering fra
laboratorieskala til pilot-/on-site skala. Disse forhold vil blive søgt nærmere
afdækket i projektets 2. fase.
Potentiale for on-site rensning
Samlet vurderes det at være dokumenteret, at der forholdsvist simpelt kan fremelskes
berigelseskulturer, med et væsentligt potentiale til nedbrydning af MTBE samt at være
sandsynliggjort, at disse kulturer har potentiale til massefjernelse i forbindelse med
on-site rensning af MTBE-forurenet grundvand i en kontinuert bioreaktor.
Arvin og Broholm (2001)
Arvin, E. og K. Broholm (2001). Effektivitet af on-site teknikker til oprensning af
MTBE forurenet grundvand. ATV-møde: Vintermøde om jord- og grundvandsforurening, 6.-7.
marts 2001.
Garnier et al. (1999)
Garnier, P. M., R. Auria, C. Augur og S. Revah (1999). Cometabolic biodegradation of
methyl t-butyl ether by Pseudomonas aeruginosa grown on pentane. Appl. Environ.
Microbiol., 51, 498-503.
Heick og Sørensen (1999)
Heick, O. og S. B. Sørensen (1999). Mikrobiel nedbrydning af MTBE
Propanoxiderende bakterier. Afgangsprojekt ved civilingeniøruddannelsen i miljøteknik,
Institut for vand, jord og miljøteknik, Aalborg Universitet.
Helweg (1998)
Helweg, A. (red.) (1988). Kemiske stoffer i landjords miljøer. Teknisk Forlag A/S.
Hyman et al. (1998)
Hyman, M, P. Kwon, K. Williamson og K. OReilly (1998). Cometabolism of MTBE by
alkane-utilizing microorganisms, 321 326, (C1-3) af Proceedings of the first
international conference on remediation of chlorinated and recalcitrant compounds,
Battelle Press. (Editors) G. B. Wickramanayake og R. E. Hinchee.
Hyman og OReilly (1999)
Hyman, M, og K. OReilly (1999). Physiological and enzymatic features of
MTBE-degrading bacteria, 7 - 12. I "In Situ Bioremediation of Petroleum Hydrocarbon
and Other Organic Compounds", 5(3) af Proceedings of the fifth international in situ
and on-site bioremediation symposium, Battelle Press. (Editors) B. C. Alleman og A.
Leeson.
Keller et al. (2000a)
Keller, A. A., O. C. Sandall, R. G. Rinker, M. M. Mitani, B. Bierwagen, og M. J.
Snodgrass (2000a). An evaluation of physicochemical treatment technologies for water
contaminated with MTBE. Groundwater Monitoring and Remediation, fall 2000, 114-126.
Keller et al. (2000b)
Keller, A. A., S. Sirivithiyapakorn, og M. L. Kram (2000b). Remediation of Water and
Soil Contaminated with MTBE, 73 - 80. I "Case Studies in the Remediation of
Chlorinated and Recalcitrant Compounds", (C2-7), Proceedings of the second
international conference on remediation of chlorinated and recalcitrant compounds,
Battelle Press. (Editors) G. B. Wickramanayake, A. R. Gavaskar, J. T. Gibbs og J. L.
Means.
Miljøstyrelsen (1998)
Miljøstyrelsen (1998). M. Kjærgaard, J. P. Ringsted, H.-J. Albrechtsen og P. L.
Bjerg. Miljøprojekt nr. 408. Naturlig nedbrydning af miljøfremmede stoffer i jord og
grundvand.
Miljøstyrelsen (1999)
Miljøstyrelsen (1999). E. Arvin og K. Broholm. Miljøprojekt nr. 483.
Afværgeteknikker for MTBE-forurenet grundvand.
Park og Cowan (1997)
Park, K. og R. M. Cowan (1997). Biodegradation of gasoline oxygenates, 17. I "In
Situ and On-Site Bioremediation: Volume 1", 4(1) af Proceedings of the fourth
international in situ and on-site bioremediation symposium, Battelle Press. (Editors) B.
C. Alleman og A. Leeson.
Pitre og Steffan (1997)
Pitre, M. P. og R. Steffan (1997). Biotreatment of MTBE-contaminated groundwater in
membrane bioreactor. AlChE 1997 Spring National Meeting, Envirogen, Inc.
Salanitro et al. (1994)
Salanitro, J. P., L. A. Diaz, M. P. Williams og H. L. Wisniewski (1994). Isolation of a
bacterial culture that degrades methyl t-butyl ether. Appl. Environ. Microbiol., 60(7),
2593-2596.
Skøt (1998)
Skøt, M. (1998). Miljøtruslen der bekymrer enhver. Vand og Jord, 5(3), 105-108.
Steffan et al. (1997)
Steffan, R.J., K. McClay, S. Vainberg, C. W. Condee, and D. Zhang (1997).
Biodegradation of the gasoline oxygenates methyl tert-butyl ether, ethyl tert-butyl ether,
and tert-amyl methyl ether by propane-oxidizing bacteria. Appl. Environ. Microbiol,
63(11), 4216-4222.
Stub (1998)
Stub, L. (1998). Status for MTBE. ATV-møde: Olie- og benzingrunde, Schæffergården 7.
oktober, 1998, 39-54.