©Sara Hallin

Microbiology inactivated sludge

processes

Sara HallinDepartment of microbiology

SLU

Wastewater treatment

Biological treatment was introduced in the 1950’s.

The activated sludge processes dominates and is the largest biotechnology industry in the world.

Historically…. Sanitation problems 1850-1930 Environmental problems 1930-2000 Recycling 2000-

Activated sludge processes• Aeration basin and settling tank.

• The concept: 1. Microorganisms (biomass) grow in the aeration tank and degrade organic matter while consuming oxygen.

2. The retention time for microorganisms exceed that for the sewage

• Floc formation is essential for settling.

• Nitrogen removal: Biological

• Phosphorus removal: Chemically or biologically.

Microorganisms in activated sludge processes

• Microorganisms are the activated sludge process!

• Bacteria, archaea, fungi, viruses, protozoa, algea and metazoa…

• Microorganisms enter the treatment plant from the sewage system.

Tre

e o

f L

ife

Prokaryotes are single celled organisms that do not have a nucleus, mitochondria or any other membrane bound organelles.

Instead, everything is openly accessible within the cell, some free floating, some bound to the walls of the cell membrane,

Prokaryotes come in two sorts, Archaea and Bacteria.

As different, if not more different, from each other, than they are from protozoans, fungi, plants and us.

Prokaryotes

Evolution and systematicsDomain

Class

Order

Family

Genera

Species

BACTERIA

1987: 12 phyla

1999: 36 phyla

2008 40 phyla

Origins of microbial diversity• Mo’s have much longer evolutionary history

• Initially access to all habitats on Earth

• Survived the largets span of conditions

• Short generation times

• Inter-species gene transfer

4 3 2 1 0Billion years from now

Prokaryotes

Eukaryotes

Cyanobacteria, O2in atmosphere

Plants&

AnimalsAlgae

Origins of microbial diversity

• Mo’s altered Earth

• Introduction of O2 – major revolution:

• more oxidized forms

• formation of ozone layer terrestrial habitats!

• More niches were created increased diversity

Color code:ProteobacteriaFirmicutesActinobacteriaCyanobacteriaSpirochaetesBacteroidetes

ChlamydiaeChlorobiDeinococcus-ThermusAcidobacteriaChloroflexiAquificaeFusobacteriaPlanctomycetesThermotogales

All Bacterial genomes, 2007, 340 species

Biofilms in papermill:

Acholeplasmataceae

AcholeplasmataceaeSpirochaetaceae

Spirochaetaceae

Corynebacteriaceae

Flavoba cteriaceae

Novel bacteria (38%)

Novel bacteria (62%)

Litotrophs Organotrophs Heterotrophs

Autotrophs

All organisms

Chemical energy Light energy

Chemotrophs Phototrophs

Autotrophs Mixotrophs

Metabolism

Aerobic respiration

Oxidation:

KOLFÖRENING KOLDIOXID + ELEKTRONER + VÄTEJONER

Reduktion:

SYRE + ELEKTRONER + VÄTEJONER VATTEN

Fullständig reaktion:

KOLFÖRENING + SYRE KOLDIOXID + VATTEN

BIOKEMISKT BUNDEN ENERGI

Fermentation:

GLUKOS ETANOL + KOLDIOXID

BIOKEMISKT BUNDEN ENERGI

Fermentation av socker till etanol och koldioxid. En del av kolet i sockret har oxiderats till koldioxid medan en del har reducerats till etanol (vanlig sprit).

+

Aerob Respiration(organotrof)

H20

Fermentation(organotrof)

ATP

8 NADH 2 GTP

6 CO2

Glukos

2 ATP2 NADHGlukolys

2 Pyruvat

Citronsyracykeln2 FADH

O2

NADHFADH

ATPATP

Fermentationsreaktioner

Pyruvat

AcCoA

Laktat

AcetateEtanol

AcetaldehydNADHNAD+

NADHNAD+ATP

Redox

Glukos

2 ATP2 NADHGlukolys

2 Pyruvat

-

Biochemical events in activated sludge

CO2+H2O+SO42-

PO43-+NO3

-

Organics(C, H, O, N, P, S)

+Oxygen

+Biomass

Mineralised productsEnergy (ATP)

Reducing PowerPrecursors

Catabolism

Anabolism

Biomass Waste

Organiskt material bryts ner av mikroorganismer i luftningsbassängen.

Slammet (biomassa och organiskt material)avskiljs från det renade vattnet i sedimenteringsbassängen..

Traditionell ASP

Flocken är fundamentet i aktivt slam.

• Snabb och effektiv sedimentering

• Icke sedimenterbara partiklar adorberastill flocken.

• Biologisk aktivitet är koncentreradtill flocken.

Sedimentering

• Slemproducerande bakterier “klistrar” ihop flocken

• Filamentbildande bakterier är flockens “armering”.

• Bakterier är en förutsättning för flockbildning.

• Flockbildande förmåga är självreglerande i systemet.

Flockar skapas av flera olika sortersmikroorganismer.

Sedimenteringsproblem som beror på mikroorganismer

Problem Orsak Konsekvens1. Dispergerad tillväxt Inga riktiga flockar bildas

då mikroorganismerna förekommer som enskilda celler

Utgående vatten är grumligt, dålig sedimentering

2. Mikroflockar Små, svaga flockar som lätt slås sönder. Uppstår då BOD i inkommande vatten är låg i förhållande till SS-halten

Utgående vatten är grumligt, lågt SVI

3. Flytslam Spontan denitrifikation i sedimenteringsbassängerna vid långa uppehållstider

Slamtäcke i sedimenteringsbassänger

Sedimenteringsproblem som beror på mikroorganismer

Problem Orsak Konsekvens4. Viskös slamsvällning Mycket extracellulära

polymerer. Vanligt i verk för industriellt avloppsvatten med låg halt av fosfor eller kväve

Dålig sedimentering, slam i utgående vatten

5. Filamentös slamsvällning

Mycket filamentbildande bakterier som sammanbinder flockar eller skapar flockar med hålrum, t ex Microthrix

Högt SVI, och i svåra fall slamflykt, men klar vattenfas

6. Skumning Hydrofoba, skumbildande bakterier tex Nocardiaoch Microthrix

Stabilt skum på ytan av bassänger, slam i utgående vatten, skumning i rötkamrarna, hälsorisk

Exempel på slamsvällning

Microthrix parvicella

Type 021N

Filamentbildande bakterier

Slamsvällning Skumbildning

”Microthrix parvicella” Microthrix parvicella”

”Nostocoida limicola” Nocardia eller Nocardia amarae-liknande organismer (NALO)

Typ 021N Typ 021N

Typ 0803 Aktinomyceter

Thiothrix

Det finns ca 30 kändafilamentbildare i ASP

10 st står för 90 % av incidenterna

Geografiska skillnader

Få har "riktiga" namn

Vad skall man göra?

Lär känna slammet för att hålla koll på filamenten:

1. Bestäm slamvolymindex (SVI)

SVI>150 indikerar risk!

SÄSVSVI ⋅=1000

Vad skall man göra?

2. Mikroskopera slammet regelbundet och bestäm

a) filamenthalt

b) typ av filament

Filamentbildande mikroorganismer i aktivslamflockar

Vad skall man göra?

De vanligaste sätten att förska hålla nere filamenthalten är att:

1. Minska slamåldern2. Öka eller minska luftningen.3. Införa selektorer/kontaktzoner.4. Bekämpa med toxiska ämnen.

Ingen av dessa metoder är generellt tillförlitliga.

Kunskapen om filamentbildande bakteriers svar olika parametrar är bristfällig.

Minskad filamenthalt efter ozonbehandlingTotal Filament Growth

Aug Sep Oct Nov Dec Jan

Jenk

ins

Scal

e

1

2

3

4

5

6ControlExperimental

Extended Filament Growth

Sep Oct Nov Dec Jan

Jenk

ins

Scal

e

0

1

2

3

4

5

6ControlExperimental

Bättre slamkvalitet – oförändrad N-rening efter ozonbehandling

SQI

Sep Oct Nov Dec Jan Feb

ml/g

0

100

200

300

400

500

600

ControlExperimental

NH4 After Final Settler

Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb

mg/

l0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0ControlExperimental