Start-up of a One-stage Biofilm Reactor for the Removal of Nitrogen from Digester Supernatant in the Partial Nitrification-Anammox Process

Zielińska, M.; Cydzik-Kwiatkowska, A.; Bernat, K.; Zieliński, M.; Kulikowska, D.; Wojnowska-Baryła, I.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Start-up of a One-stage Biofilm Reactor for the Removal of Nitrogen from Digester Supernatant in the Partial Nitrification-Anammox Process

Autorzy

Zielińska M. , Cydzik-Kwiatkowska A. , Bernat K. , Zieliński M. , Kulikowska D. , Wojnowska-Baryła I.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Wpracowanie jednostopniowego reaktora z błoną biologiczną do usuwania azotu z wód nadosadowych w procesie częściowej nitryfikacji-Anammox

Języki publikacji

Abstrakty

For nitrogen-rich wastewater with a low COD/N ratio, the partial nitrification-Anammox process is considered a promising alternative to conventional nitrification-denitrification, saving energy and additional carbon source. In the Anammox reaction, performed under anoxic conditions by autotrophic bacteria, ammonium and nitrite contribute in equimolar amounts to the formation of dinitrogen gas. Anammox bacteria are characterized by low biomass yield because of their autotrophic growth mode and their high maintenance requirement due to their slow growth rate (doubling time of 10-12 days). In addition, nitrite is a substrate for Anammox on one hand and an inhibitor of Anammox microorganisms at some concentrations on the other hand. Next, inorganic carbon limitation is the limiting factor in the growth of nitrifiers and Anammox bacteria. These are the reasons that one-stage reactors are extremely difficult to start-up. The goal of this study was to determine the effect of bicarbonate addition on the changes in nitrogen forms in the one-stage reactor, biofilm composition and overall reactor performance during the adaptation of non-Anammox biomass to nitrogen-rich wastewater. In this study, a one-stage biofilm batch reactor treated the digester supernatant from the full-scale municipal wastewater treatment plant. In the supernatant, the average concentrations of pollutants were as follows: 320±52 mg COD/L, 413±78 mg TN/L, 328±46 mg NH4-N/L and 97±19 mg TP/L. Aerobic granular sludge from the full-scale municipal wastewater treatment plant operated with simultaneous nitrification and denitrification was used as inoculum. The operational parameters of the reactor were: working volume 3 L, 8-hour cycle, volumetric exchange ratio 50%/cycle. In one-stage reactors, nitrite-oxidizing bacteria (NOB) must be selectively pressured to decrease their activity. Therefore, in this reactor, low dissolved oxygen, about 0.5 mg/L, a pH of about 8.0, and a high temperature, about 35ºC, were maintained. Apart from determining changes in nitrogen profile, fluorescence in situ hybridization technique indicating the changes in the biofilm composition was used as an indicator of adaptation of the microorganisms to high influent nitrogen concentrations. With the bicarbonate/TN ratio in the influent of about 3.5, stable reactor performance was obtained with the final ammonium concentration in the effluent below 10 mg N-NH4/L. Nitrate was the predominant form of nitrogen in the effluent. In this period, the abundance proportion between Anammox bacteria, ammonium-oxidizing bacteria (AOB) and NOB dynamically changed in the biomass. This part of biomass that was suspended in the reactor was characterized by good settling abilities, with the sludge volume index below 50 mL/g MLSS.

Proces częściowej nitryfikacji-Anammox jest obiecującą alternatywą wobec konwencjonalnej nitryfikacji-denitryfikacji do usuwania azotu ze ścieków o wysokim stężeniu związków azotowych i niskim stosunku ChZT/N, skutkującą oszczędnością energii i dodatkowych źródeł węgla organicznego. W procesie Anammox, prowadzonym w warunkach anoksycznych przez bakterie autotroficzne, azot amonowy i azot azotanowy(III) uczestniczą w równoważnych ilościach w powstawaniu azotu cząsteczkowego. Wpracowanie jednostopniowych reaktorów, w których planowane jest prowadzenie częściowej nitryfikacji i Anammox, jest trudne. Z uwagi na niską szybkość autotroficznego wzrostu (czas generacji 10-12 dni), biomasa bakterii Anammox charakteryzuje się niskim przyrostem. Ponadto, azot azotanowy(III) jest substratem do procesu Anammox, jednak w pewnych stężeniach inhibuje proces. Dodatkowo, niedostatek nieorganicznych związków węglowych jest czynnikiem limitującym wzrost tlenowych bakterii utleniających azot amonowy oraz bakterii Anammox. Celem badań było określenie wpływu dozowania do reaktora jednostopniowego wodorowęglanów na występowanie poszczególnych form związków azotowych w ściekach oczyszczonych oraz skład biomasy podczas wpracowania reaktora do oczyszczania ścieków bogatych w azot z wykorzystaniem procesu Anammox. W prezentowanych badaniach, jednostopniowy reaktor porcjowy z błoną biologiczną był wykorzystywany do oczyszczania wód nadosadowych pochodzących z oczyszczalni ścieków komunalnych pracującej w skali technicznej. Stężenia zanieczyszczeń w wodach nadosadowych były następujące: 320±52 mg ChZT/dm³, 413±78 mg Nog/dm³, 328±46 mg NH4-N/dm³ i 97±19 mg Pog/dm³. Reaktor został zaszczepiony tlenowym osadem granulowanym z oczyszczalni ścieków komunalnych pracującej w skali technicznej eksploatowanej z jednoczesną nitryfikacją i denitryfikacją. Parametry eksploatacyjne reaktora badawczego były następujące: objętość robocza 3 dm³, długość cyklu 8 h, stopień wymiany objętościowej 50%. W reaktorach jednostopniowych bakterie utleniające azot azotanowy(III) muszą być poddawane selektywnej presji w celu ograniczenia ich aktywności. Z tego względu w reaktorze eksperymentalnym utrzymywano niskie stężenie tlenu (około 0,5 mg/dm³), pH około 8,0 i wysoką temperaturę (około 35ºC). Wskaźnikiem adaptacji mikroorganizmów do wysokich stężeń azotu w ściekach dopływających były zmiany w profilu związków azotowych w odpływie oraz wyniki uzyskane techniką fluorescencyjnej hybrydyzacji in situ, pozwalającą na określanie liczebności poszczególnych grup mikroorganizmów w biomasie. Stabilną pracę reaktora uzyskano przy stosunku wodorowęglanów do azotu ogólnego w dopływie równym około 3,5; stężenie azotu amonowego w ściekach oczyszczonych nie przekraczało 10 mg/dm³. Główną formą azotu w odpływie był azot azotanowy(V). W okresie wpracowania proporcje między liczebnością w biomasie tlenowych bakterii utleniających azot amonowy i azot azotanowy(III) oraz bakterii Anammox podlegały dynamicznym zmianom. Część biomasy pozostająca w zawieszeniu charakteryzowała się dobrymi właściwościami sedymentacyjnymi; indeks objętościowy osadu wynosił poniżej 50 cm³/g s.m.

Słowa kluczowe

Anammox partial nitrification digester supernatant AOB NOB

anammox częściowa nitryfikacja wody nadosadowe bakterie utleniające azot amonowy bakterie utleniające azot azotanowy

Wydawca

Politechnika Koszalińska

Czasopismo

Rocznik Ochrona Środowiska

Rocznik

2018

Tom

Tom 20, cz. 1

Strony

241--257

Opis fizyczny

Bibliogr. 40 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Zielińska M.

University of Warmia and Mazury in Olsztyn

autor

Cydzik-Kwiatkowska A.

University of Warmia and Mazury in Olsztyn

autor

Bernat K.

University of Warmia and Mazury in Olsztyn

autor

Zieliński M.

University of Warmia and Mazury in Olsztyn

autor

Kulikowska D.

University of Warmia and Mazury in Olsztyn

autor

Wojnowska-Baryła I.

University of Warmia and Mazury in Olsztyn

Bibliografia

1. Amann, R.I., Binder, B.J., Olson, R.J., Chisholm, S.W., Devereux, R., Stahl, D.A. (1990). Combination of 16S rRNA-targeted Oligonucleotide Probes with Flow Cytometry for Analyzing Mixed Microbial Populations. Applied and Environmental Microbiology, 56, 1919-1925.
2. Anthonisen, A.C., Loehr, R.C., Prakasam, T.B.S., Srinath, E.G. (1976). Inhibition of Nitrification by Ammonia and Nitric Acid. Journal of Water Pollution Control Federation, 48, 835-852.
3. Bae, W., Baek, S., Chung, J., Lee, Y. (2001). Optimal Operational Factors for Nitrite Accumulation in Batch Reactors. Biodegradation, 12, 359-366.
4. Blackburne, R., Vadivelu, V.M., Yuan, Z., Keller, J. (2007). Determination of Growth Rate and Yield of Nitrifying Bacteria by Measuring Carbon Dioxide Uptake Rate. Water Environment Research, 79, 2437-2445.
5. Bonmati, A., & Flotats, X., (2003). Air Stripping of Ammonia from Pig Slurry: Characterisation and Feasibility as Preor Post-treatment to Mesophilic Anaerobic Digestion. Waste Management, 23, 261-272.
6. Cydzik-Kwiatkowska, A., Rusanowska, P., Zielińska, M., Bernat, K., Wojnowska-Baryła, I. (2014). Structure of Nitrogen-converting Communities Induced by Hydraulic Retention Time and COD/N Ratio in Constantly Aerated Granular Sludge Reactors Treating Digester Supernatant. Bioresource Technology, 154, 162-170.
7. Daims, H., Bruhl, A., Amann, R., Schleifer, K.H., Wagner, M. (1999). The Domain-specific Probe EUB338 is Insufficient for the Detection of all Bacteria: Development and Evaluation of a More Comprehensive Probe Set. Systematic and Applied Microbiology, 22, 434-444.
8. Daims, H., Nielsen, J.L., Nielsen, P.H., Schleifer, K.H., Wagner, M. (2001). In Situ Characterization of Nitrospira-like Nitrite-oxidizing Bacteria Active in Wastewater Treatment Plants. Applied and Environmental Microbiology, 67, 5273-5284.
9. Daims, H., Lucker, S., Le Paslier, D., Wagner, M. (2011). Diversity, Environmental Genomics, and Ecophysiology of Nitrite-oxidizing Bacteria in Nitrification. eds Ward, B.B., Arp, D.J., Klotz M.G. (Washington, DC: ASM press), 295-322.
10. Dreissen, W., & Reitsma, G. (2011). One-step Anammox Process a Sustainable Way to Remove Ammoniacal Nitrogen. UK Water Projects, 101-102.
11. Duan, X., Zhou, J., Qiao, S., Yin, X., Tian, T., Xu, F. (2012). Start-up of the Anammox Process from the Conventional Activated Sludge in a Hybrid Bioreactor. Journal of Environmental Sciences, 24, 1083-1090.
12. Gieseke, A., Bjerrum, L., Wagner, M., Amann, R. (2003). Structure and Activity of Multiple Nitrifying Bacterial Populations Co-existing in a Biofilm. Environmental Microbiology, 5, 355-369.
13. Guštin, S., & Marinšek-Logar, R. (2011). Effect of pH, Temperature and Air Flow Rate on the Continuous Ammonia Stripping of the Anaerobic Digestion Effluent. Process Safety and Environmental Protection, 89, 61-66.
14. Guven, D., Dapena, A., Kartal, B., Schmid, M.C., Maas, B., van de PasSchoonen, K., Sozen, S., Mendez, R., Op den Camp, H.J.M., Jetten, M.S.M., Strous, M., Schmidt, I. (2005). Propionate Oxidation by and Methanol Inhibition on Anaerobic Ammonium-oxidizing Bacteria. Applied and Environmental Microbiology, 71, 1066-1071.
15. Hermanowicz, W., Dojlido, J., Dożańska, W., Koziorowski, B., Zerbe, J. (1999). Fizyczno-chemiczne badanie wody i ścieków. Arkady, Warszawa.
16. Jetten, M.S.M., van Niftrik, L., Strous, M., Kartal, B., Keltjens, J.T., Op den Camp, H.J.M. (2009). Biochemistry and Molecular Biology of Anammox Bacteria. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology, 44, 65-84.
17. Kampschreur, M.J., Poldermans, R., Kleerebezem, R., van der Star, W.R.I., Haarhuis, R., Abma, W.R., Jetten, M.S.M., van Loosdrecht, M.C.M. (2009). Emission of Nitrous Oxide and Nitric Oxide from a Full-scale Singlestage Nitritation-Anammox Reactor. Water Science and Technology, 60, 3211-3217.
18. . Kartal, B., Kuypers, M.M.M., Lavik, G., Schalk, J., den Camp, H., Jetten, M.S.M., Strous, M. (2007). Anammox Bacteria Disguised as Denitrifiers: Nitrate Reduction to Dinitrogen Gas via Nitrite and Ammonium. Environmental Microbiology, 9, 635-642.
19. Kartal, B., van Niftrik, L., Rattray, J., de Vossenberg, J., Schmid, M.C., Damste, J.S.S., Jetten, M.S.M., Strous, M. (2008). Candidatus “Brocardia fulgida”: an Autofluorescent Anaerobic Ammonium Oxidizing Bacterium. FEMS Microbiology Ecology, 63, 46-55.
20. Langone, M., Yan, J., Haaijer, S.C.M., Op den Camp, H.J.M., Jetten, M.S.M., Andreottola, G. (2014). Coexistence of Nitrifying, Anammox and Denitrifying Bacteria in a Sequencing Batch Reactor. Frontiers in Microbiology, 5, 1-12.
21. Liao, D., Li, X., Yang, Q., Zeng, G., Guo, L., Yue, X. (2008). Effect of Inorganic Carbon on Anaerobic Ammonium Oxidation Enriched in Sequencing Batch Reactor. Journal of Environmental Sciences, 20, 940-944.
22. Lotti, T., van der Star, W.R.L., Kleerebezem, R., Lubello, C., van Loosdrecht, M.C.M. (2012). The Effect of Nitrite Inhibition on the Anammox Process. Water Research, 46, 2559-2569.
23. Magri, A., Vanotti, M.B., Szogi, A.A. (2012). Anammox Sludge Immobilized in Polyvinyl Alcohol (PVA) Cryogel Carriers. Bioresource Technology, 114, 231-240.
24. Mobarry, B.K., Wagner, M., Urbain, V., Rittmann, B.E., Stahl, D.A. (1996). Phylogenetic Probes for Analyzing Abundance and Spatial Organization of Nitrifying Bacteria. Applied and Environmental Microbiology, 62, 2156-2162.
25. Monballiu, A., Desmidt, E., Ghyselbrecht, K., De Clippeleir, H., Van Hulle, S.W.H., Verstraete, W., Meesschaert, B. (2013). Enrichment of Anaerobic Ammonium Oxidizing (Anammox) Bacteria from OLAND and Conventional Sludge: Features and Limitations. Separation and Purification Technology, 104, 130-137.
26. Ni, S.Q., Ni, J.Y., Hu, D.I., Sung, S.H. (2012). Effect of Organic Matter on the Performance of Granular Anammox Process. Bioresource Technology, 110, 701-705.
27. Nielsen, J.L. 2009. Protocol for Fluorescence in Situ Hybridization (FISH) with rRNA-targeted Oligonucleotides. In: Nielsen, P.H., Daims, H., Lemmer, H. (Eds.), FISH Handbook for Biological Wastewater Treatment: Identification and Quantification of Microorganisms in Activated Sludge and Biofilms by FISH. 1. ed. IWA Publishing Company, London, UK, pp. 73-84.
28. Schmid, M.C., Maas, B., Dapena, A. van de Pas-Schoonen, K., van de Vossenberg, J., Kartal, B., van Niftrik, L., Schmidt, I., Cirpus, I., Gijs Kuenen, J., Wagner, M., Damsté, J.S.S., Kuypers, M., Revsbech, N.P., Mendez, R., Jetten, M.S.M., Strous, M. (2005). Biomarkers for in Situ Detection of Anaerobic Ammonium-oxidizing (Anammox) Bacteria. Applied and Environmental Microbiology, 71, 1677-1684.
29. Strous, M., Kuenen, G., Jetten, M. (1999). Key physiology of anaerobic ammonium oxidation. Applied and Environmental Microbiology, 65, 3248-3250.
30. Szatkowska, B., Cema, G., Plaza, E., Trela, J., Hultman, B. (2007). A One-stage System with Partial Nitritation and Anammox Processes in the Moving-bed Biofilm Reactor. Water Science and Technology, 55, 19-26.
31. Tang, C.J., Zheng, P., Wang, C.H., Mahmood, Q. (2010). Suppression of Anaerobic Ammonium Oxidizers under High Organic Content in High-rate Anammox UASB Reactor. Bioresource Technology, 101, 1762-1768.
32. Tang, C.J., Zheng, P., Chai, L.Y., Min, X.B. (2013). Thermodynamic and Kinetic Investigation of Anaerobic Bioprocesses on ANAMMOX under High Organic Conditions. Chemical Engineering Journal, 230, 149-157.
33. Tao, Y., Gao, D.W., Fu, Y., Wu, W.M., Ren, N.Q. (2012). Impact of Reactor Configuration on Anammox Process Start-up: MBR versus SBR, Bioresource Technology, 104, 73-80.
34. Van der Star, W.R.L., Abma, W.R., Blommers, D., Mulder, J.W., Tokutomi, T., Strous, M., Picioreanu, C., van Loosdrecht, M.C.M. (2007). Startup of Reactors for Anoxic Ammonium Oxidation: Experiences from the First Fullscale Anammox Reactor in Rotterdam. Water Research, 41, 4149-4163.
35. Van Dongen, U., Jetten, M.S.M., van Loosdrecht, M.C.M. (2001). The SHARONs-Anammoxs-process for Treatment of Ammonium Rich Wastewater. Water Science and Technology, 44, 153-160.
36. Volcke, E., van Loosdrecht, M., Vanrolleghem, P. (2006). Controlling the Nitrite: Ammonium Ratio in a SHARON Reactor in View of its Coupling with an Anammox Process. Water Science and Technology, 53, 45-54.
37. Wagner, M., Rath, G., Koops, H.P., Flood, J., Amann, R. (1996). In situ Analysis of Nitrifying Bacteria in Sewage Treatment Plants. Water Science and Technology, 34, 237-244.
38. Wett, B., & Rauch, W. (2003). The Role of Inorganic Carbon Limitation in Biological Nitrogen Removal of Extremely Ammonia Concentrated Wastewater. Water Research, 37, 1100-1110.
39. Winkler, M.K.H., Yang, J., Kleerebezem, R., Plaza, E., Trela, J., Hultman, B., van Loosdrecht, M.C.M. (2012). Nitrate Reduction by Organotrophic Anammox Bacteria in a Nitritation/Anammox Granular Sludge and a Moving Bed Biofilm Reactor. Bioresource Technology, 114, 217-223.
40. Yang, J., Zhang, L., Fukuzaki, Y., Hira, D., Furukawa, K. (2010). High-rate Nitrogen Removal by the Anammox Process with a Sufficient Inorganic Carbon Source. Bioresource Technology, 101, 9471-9478.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-13f4e571-40e3-4947-932a-92824a2ca1ca