Lustgasbildning

Lustgas bildas av mikroorganismerna som utför den biologiska kvävereningen vid såväl nitrifikation som denitrifikation.

Vid nitrifikation oxideras ammonium till nitrit av ammoniakoxiderande bakterier (AOB) eller -arkéer (AOA). Nitrit oxideras vidare till nitrat av nitritoxiderande bakterier (NOB). Bakterier inom Nitrospira kan dessutom oxidera ammonium hela vägen till nitrat, så kallad comammox (complete ammonia oxidation, CMX). Nitrat reduceras sedan till kvävgas vid den heterotrofa denitrifikationen där reduktionen sker i fyra steg. Vissa denitrifikationsbakterier kan genomföra alla fyra reduktionsstegen, andra har bara enzym för vissa av stegen.

Lustgas bildas via tre mekanismer vid den biologiska kvävereningen.

1. Lustgasbildning via oxidation av hydroxylamin

AOB, AOA och CMX bildar lustgas via oxidation av hydroxylamin. Den enzymatiska vägen för produktion är inte helt klarlagd, abiotiska delreaktioner kan ingå och produktionsvägarna kan variera även mellan närbesläktade bakterier och arkéer. Oavsett produktionsväg är produktionen av lustgas via oxidation av hydroxylamin direkt beroende på hastigheten på ammoniumoxidationen. Reaktorbetingelser som leder till en högre oxidationshastighet av ammonium, som ökad tillgänglig halt av ammonium och syre, leder därmed också till större utsläpp av lustgas.

2. Lustgasbildning via denitrifikation av AOB

AOB kan reducera nitrit till lustgas via kvävemonoxid, men de saknar enzym för vidare reduktion av lustgas till kvävgas. Detta gör att denitrifikation av AOB kommer att resultera i lustgasproduktion. AOA och CMX kan däremot inte producera lustgas via denitrifikation. Tillgången till nitrit är avgörande för hur snabbt lustgas produceras via denitrifikation av AOB. Låga syrehalter är också en faktor som ökar risken för lustgasproduktion.

3. Lustgasbildning via ofullständig denitrifikation

Vid denitrifikation reduceras nitrat till kvävgas i fyra steg, via nitrit, kvävemonoxid och lustgas. Vissa av de denitrifierande bakterierna har enzym för samtliga steg, men många saknar ett eller flera. De mikroorganismer som saknar enzymet för att reducera lustgas till kvävgas kommer därmed att vara lustgasproducenter. Bildad lustgas kan dock omsättas av andra denitrifierande bakterier som har det enzym som krävs. Det är därmed viktigt att lustgasreduktionen inte hämmas, vilket kan ske vid förhöjda syre- och nitrithalter. Det är också avgörande med tillräckligt organiskt material för att reducera de olika kväveföreningarna hela vägen till kvävgas.

Lustgasutsläppen varierar över tid

I biologisk avloppsrening med aktivt slam har lustgasutsläppen visat sig vara säsongsberoende med återkommande toppar, vanligen under vintern och våren, tillsammans med toppar i nitrithalter som ett resultat av obalans i aktiviteten för AOB och NOB. Liknande säsongsvariation har också observerats på svenska reningsverk. Topparna i lustgasutsläpp har visats sig kunna bero på såväl denitrifikation av AOB (väg 2) och ofullständig denitrifikation (väg 3).

Vill du veta mer om lustgasbildning?

Kontakta Frank Persson, Chalmers tekniska högskola, eller titta på lästipsen på denna hemsida.