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

MTBE-nedbrydning i grundvand vha. alkanoxiderende mikroorganismer

3. Perspektiver for on-site rensning af grundvand

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.

Der er i beregningerne ikke taget hensyn til en eventuel tilstedeværelse af øvrige forureningskomponenter, f.eks. BTEX’er, 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.

3.1 Korrektion for temperatur og biomassekoncentration

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], v_T1 er nedbrydningsraten svarende til T1 [mg/(g protein·time)], v_T2 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.

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.

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.

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.

3.2 Korrigerede nedbrydningsrater

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.

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.

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.

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.

3.3 Overslagsberegninger

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.

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.

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.

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.