Mapping spontaneous biological phosphorus removal in a membrane bioreactor process without the anaerobic condition : Investigating the effect of alternative external carbon sources

Phosphorus removal in wastewater treatment is commonly achieved by chemical precipitation, enhanced biological phosphorus removal (EBPR) or a simultaneous combination of the two. A defined anaerobic condition is widely regarded as the critical element to sustain EBPR. However, this study demonstrates that EBPR is indeed occurring in a 4.5 m3/h membrane bioreactor (MBR) pilot plant without a defined anaerobic condition. Although designed for chemical precipitation alone, a low average Fe/P molar ratio (iron dose/phosphorus removed) of 0.9 ± 0.1 suggests that EBPR could be contributing to a simultaneous phosphorus removal. Weekly flow-proportional grab samples through the process showed a phosphate (P) release between the primary anoxic tanks, followed by a larger uptake in the aerobic tanks. In laboratory batch tests with limited acetate supply in the presence of nitrates, the anoxic P-release began and then abruptly stopped whilst the nitrate concentration continued to decrease. This could be explained by denitrifiers out-competing PAOs for soluble substrate since a large P-release occurred when excess acetate was supplied in the presence of nitrates. It is therefore unlikely that PAOs are operating in the pilot despite the presence of nitrates as was concluded in a study with similar spontaneous EBPR observations. Instead, it is suggested that EBPR is enabled by intermittent anaerobic conditions in the primary anoxic tanks due to low nitrate concentrations (< 1 mg NO3/l) recirculating back after post-denitrification. The external carbon source supplied to the pilot was changed from glycerol to ethanol to assess any effect on the spontaneous EBPR. After ethanol had been supplied for 30 days, increased P-release rates were observed in batch tests supplied with ethanol (0.1 to 0.4 mg P/g VSS∙h) and batch tests supplied with acetate (8.6 ± 0.4 to 10.3 ± 0.4 mg P/g VSS∙h). However, the overall consumption of glycerol was less than that of ethanol, whilst the total ph
Fosforrening av avloppsvatten uppnås vanligtvis genom kemisk utfällning, enhanced biological phosphorus removal (EBPR) eller en kombination av dessa två samtidig. Ett definierat anaeroba förhållanden betraktas allmänt som det kritiska elementet för att upprätthålla EBPR. Dock visar denna studie att EBPR verkligen förekommer i en pilotanläggning med membranbioreaktor (MBR) utan ett definierat anaeroba förhållanden. Veckovis flödesproportionella stickprover genom processen visade en ökad fosfat (P) halt mellan de primära anoxisk tankarna, följt av ett upptag i de aerobiska tankarna. Även om det är planerat för bara kemisk fosforrening, ett lågt medel Fe/P molförhållande (järndos/fosfor bortagning) på 0,9 ± 0,1 föreslår att EBPR kan bidra till ett samtidigt fosforrening. Laboratorie-P-utsläppningstest bekräftade EBPR-aktivitet med en hög medel P-utsläpp av 9,3 ± 0,9 mg P/g VSS∙h med acetat. Tillsammans indikerar dessa resultat att biologiskt fosforrening kompletterade den kemiska fosforrening under undersökningsperioden. P- utsläppningstest visade att närvaron av nitrater inte påverkade PAO-aktiviteter när acetat tillfördes i överskott. Med begränsad acetattillförsel förhindrade emellertid närvaron av nitrater någon initial P-utsläpp och inga efterföljande fermenteringsbiprodukter observerades. Slutsatsen dras att effektiv nitrifikation-denitrifikation och hög recirkulation resulterar i låga nitrathalt i primär anox tankar. Detta orsakar intermittenta anaerobisk förhållanden som, tillsammans med lämpliga substrathalt i inloppsvatten, möjliggör EBPR att ske. Den externa kolkällan som levererades till MBR-piloten ändrades från glycerol till etanol för att undersöka potentialen att öka EBPR-andelen av fosforrening. P-utsläpp i labbtester med etanol dosering ökade från 0,1 till 0,4 mg P/g VSS∙h och tester med acetat dosering ökade från 8,6 ± 0,4 till 10,3 ± 0,4 mg P/g VSS∙h när slam hade anpassats till etanol