Analysis of the Effect of Temperature Cycling on Phosphorus Fractionation in Activated Sludge

Temperature is a significant parameter affecting wastewater treatment , because its increase accelerates decomposition of organic compounds. The optimum temperature of this process falls within the range of 18-22°C (Bugajski et al., 2012). As far as the biological phosphorus removal process is concerned, there are conflicting reports in reference sources with regard to the temperature optimum. Due to the existing discrepancies in the relevant literature on the effect of the sewage sludge temperature on the phosphorus removal processes, this study attempts to provide a speciation analysis of phosphorus in activated sludge in an annual cycle (in temperate climate), in which the sewage sludge temperature may range from 5°C to 25°C. The studies conducted to evaluate the effect of temperature cycling on the phosphorus speciation in activated sludge involved performing monthly speciation analyses of phosphorus in activated sludge collected at six sewage treatment plants. The content of different phosphorus fractions was determined in the sewage specimens using the fractionation scheme proposed by Golterman. The speciation analysis performed by this method allows to distinguish mineral phosphorus forms adsorbed on the surface of the sludge particles. These forms are considered as the most mobile, bioavailable (fractions of Ca-EDTA and Na-EDTA). This method is also used to extract phosphorus bound in strong combinations with aluminosilicates (NaOH fraction) and phosphorus identified primarily with organic forms, i.e. forms of phosphorus found in soluble combinations with organic matter (H2SO 4fraction) as well as the forms of phosphorus contained in organic matter (NaOH). Forms of phosphorous bound in combinations with aluminosilicates and identified with organic forms are distinguished by Golterman as forms difficult to access (H2SO 4and NaOH fractions). The results presented in the study show that the shares of different phosphorus fractions in activated sludge demonstrate high variability in value, however, in the case of their classification into one of the two groups on the basis of bioavailability (fractions: mobile and difficult to access), one can notice a pattern occurring in the annual cycle. There is a noticeable increase in the share of mobile (mineral) phosphorus forms which accompanies a rise in the sludge temperature (with the temperature increase by 1°C the mobile forms shares grow from 1.2% to 3%). The increase in the mineral forms share under the influence of temperature may indicate the direct effect of the activated sludge temperature on the rate of enzymatic reactions. The fact that the share of phosphorus forms difficult to access (H2SO 4and NaOH fractions), identified primarily with organic forms, is dominant in winter while the share of mobile forms is minor (24%), confirms the reduction of phosphorus removal at a low sludge temperature.

Istotnym parametrem wpływającym na proces oczyszczania ścieków jest temperatura, ponieważ jej wzrost przyspiesza procesy rozkładu związków organicznych. Optymalna temperatura tych procesów mieści się w granicy 18-22°C (Bugajski i in. 2012). Z kolei w przypadku procesu defosfatacji biologicznej istnieją sprzeczne doniesienia literaturowe dotyczące optimum temperaturowego. Ze względu na występujące rozbieżności w doniesieniach literaturowych dotyczących wpływu temperatury osadu ściekowego na procesy defosfatacji, w niniejszej pracy podjęto się wykonania analizy specjacyjnej fosforu w osadach czynnych w cyklu rocznym (w klimacie umiarkowanym), w którym temperatura osadów ściekowych może wahać się od 5°C do 25°C. W celu oceny wpływu cyklicznych zmian temperatury na specjacje fosforu w osadach czynnych zostały wykonane badania, które polegały na wykonaniu comiesięcznych analiz specjacyjnych fosforu w osadach czynnych pochodzących z sześciu oczyszczalni ścieków. W pobranych próbach osadu oznaczano zawartość poszczególnych frakcji fosforu wykorzystując schemat frakcjonowania zaproponowany przez Golterman’a. Analiza specjacyjna wykonana tą metodą pozwala wyróżnić formy mineralne fosforu, zaadsorbowane na powierzchni cząstek osadów. Formy te uważane są jako najbardziej mobilne, biodostępne (frakcje Ca-EDTA i Na-EDTA). W metodzie tej ekstrahuje się również fosfor związany w silnych połączeniach z glinokrzemianami(frakcja NaOH) oraz fosfor utożsamiany przede wszystkim z formami organicznymi, czyli formami fosforu występującymi w rozpuszczalnych połączeniach z materią organiczną (frakcja H2SO 4) oraz formami fosforu zawartymi w materii organicznej (NaOH). Formy fosforu związanego w połączeniach z glinokrzemianami oraz utożsamiany z formami organicznymi Golterman wyróżnia jako formy trudnodostępne (frakcje H2SO 4 i NaOH). Przedstawione w pracy wyniki świadczą iż wartości udziałów poszczególnych frakcji fosforu w osadach czynnych wykazują dużą zmienność, jednak w przypadku ich przyporządkowania do dwóch grup pod względem biodostępności (frakcje mobilne i trudnodostępne) można dostrzec występowanie tendencji w cyklu rocznym. Zauważalny jest wzrost udziału form mobilnych(mineralnych) fosforu wraz ze wzrostem temperatury osadu (przy wzroście temperatury o 1°C udziały form mobilnych wzrastają od 1,2% do 3%). Zwiększenie udziałów form mineralnych pod wpływem temperatury może świadczyć o bezpośrednim wpływie temperatury osadów czynnych na szybkość reakcji enzymatycznych. Dominujący w okresie zimowym udział form trudnodostępnych fosforu (frakcji H2SO 4i NaOH), utożsamianych przede wszystkim z formami organicznymi oraz niewielki udział form mobilnych (24%) potwierdza obniżenie procesów defosfatacji w przypadku niskiej temperatury osadu.