Manganese dioxide (MnO2) nanoparticles influence on the nitrification and anammox activity

• Autorzy: Tomaszewski Mariusz , Gamoń Filip , Cema Grzegorz , Ziembińska-Buczyńska Aleksandra

Identyfikatory

DOI

10.24425/aep.2020.135764

Warianty tytułu

PL

Wpływ nanocząstek tlenku manganu (MnO2) na aktywność procesów nitryfikacji i anammox

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The anammox (anaerobic ammonia oxidation) process is one of the most efficient processes of nitrogen removal from wastewater. Although there are some applications of anammox-based technologies, it is still difficult to apply this process widely because of the high optimal temperature around 30–40°C. Thus, the main objective of this study was to evaluate the short-term effects of MnO₂ on the anammox and nitrification process activity at a wide range of temperatures between 10 and 30°C, using statistical methods based on the central composite design (CCD). The influence of MnO₂ on anammox and nitrification activity, suspended biomass from the laboratory-scale sequencing batch reactor (SBR), and activated sludge from WWTP, respectively, was used. MnO₂ concentration range was set between 15 and 85 mg/L, and the temperature range was set between 10 and 30°C. Anammox and nitrification process activity was measured based on the batch test and oxygen uptake rate (OUR), respectively. The results were statistically analyzed. Results revealed that nanoparticles can slightly improve anammox activity by several percent, by up to 10%, but in most cases MnO₂ influence was insignificant. The optimal concentration for the anammox stimulation at temperatures below 20°C was evaluated between 40 and 60 mg/L, corresponding to 36 and 56 mg/g VSS. Manganese oxides contribution in the nitrogen removal processes was proved and they should be considered in the field of the anammox process. Thus, further studies are suggested to investigate the long-term effects of MnO₂ on the low-temperature anammox process, overcoming possibility of inhibition.

PL

Proces anammox (beztlenowe utlenianie amoniaku) jest procesem efektywnego usuwania azotu ze ścieków. Pomimo, że istnieje wiele technologi wykorzystujących proces anammox, jego zastosowanie nadal jest ograniczone ze względu na wysoką optymalną temperaturę (około 30–40°C). W związku z tym, celem tej pracy była ocena krótkoterminowego wpływu MnO2 na aktywność procesów anammox i nitryfikacji w zakresie temperatur od 10 do 30°C, przy użyciu metod statystycznych. Do badań wykorzystano biomasę anammox pobraną z laboratoryjnego sekwencyjnego reaktora porcjowego oraz biomasę bakterii nitryfikacyjnych pochodzącą z komunalnej oczyszczalni ścieków. Badania prowadzono przy zastosowaniu stężeń MnO₂ z zakresu od 15 do 85 mg/l oraz temperatur pomiędzy 10–30°C. Aktywność procesu anammox zbadano przy pomocy testów porcjowych, natomiast do zbadania aktywność procesu nitryfikacji wykorzystano pomiar szybkości zużycia tlenu. Wyniki wykazały, że nanocząstki MnO₂ mogą poprawić aktywność procesu anammox o kilka procent (nawet o 10%). Optymalne stężenie MnO₂ dla stymulacji procesu anammox w temperaturach poniżej 20°C wynosiło między 40 a 60 mg/l, co odpowiada 36 i 56 mg/g s.m.o. Niniejsze badania udowadniają, że dodatek MnO2 może powodować wzrost aktywności procesu anammox przy jednoczesnym obniżeniu temperatury. Dlatego sugeruje są dalsze badania w celu zbadania długoterminowego wpływu nanocząstek MnO₂ na niskotemperaturowy proces anammox.

Słowa kluczowe

EN

wastewater; nanoparticles; nitrification; anammox; manganese dioxide

PL

ścieki; nanocząstki; nitryfikacja; anammox; dwutlenek manganu

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 46, no. 4
• Strony: 54--58
• Opis fizyczny: Bibliogr 20 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Tomaszewski Mariusz

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

autor

Gamoń Filip

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

autor

Cema Grzegorz

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

autor

Ziembińska-Buczyńska Aleksandra

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

Bibliografia

• 1. Cao, Y., van Loosdrecht, M.C.M. & Daigger, G.T. (2017). Mainstream partial nitritation-anammox in municipal wastewater treatment: status, bottlenecks, and further studies, Applied Microbiology and Biotechnology, 101, pp. 1365-83, DOI: 10.1007/s00253-016-8058-7.
• 2. Chen, S., Li, Z.K., Qin, Y.B., Ding, B.J. & Chen, Z.H. (2019). Insight into the Process of Mn-ANAMMOX in Soils of Agricultural Drainage Ditches, Huan Jing Ke Xue, 40, pp. 2948-53, DOI: 10.13227/j.hjkx.201812092.
• 3. Engström, P., Dalsgaard, T., Hulth, S. & Aller, R.C. (2004). Anaerobic ammonium oxidation by nitrite (anammox): implications for N2 production in coastal marine sediments, Geochimica et Cosmochimica Acta, 69, pp. 2057-65, DOI: 10.1016/j.gca.2004.09.032.
• 4. Hulth, S., Aller, R.C. & Gilbert, F. (1999). Coupled anoxic nitrification/manganese reduction in marine sediments, Geochimica et Cosmochimica Acta, 63, pp. 49-66, DOI: 10.1016/S0016-7037(98)00285-3.
• 5. Kartal, B., Rattray, J., van Niftrik, L., van de Vossenberg, J., Schmid, M., Webb, R.I., Schouten, S., Fuerst, J.A., Sinninghe Damste, J.S., Jetten, M.S.M. & Strous, M. (2007). Candidatus “Anammoxoglobus propionicus” gen nov, sp Nov, a new propionate oxidizing species of anaerobic ammonium oxidizing bacteria, Systematic and Applied Microbiology, 30, pp. 39-49, DOI: 10.1134/S0026261715020101.
• 6. Kouba, V., Proksova, E., Wiesinger, H., Vejmelkova, D. & Bartacek, J. (2017). Good servant, bad master: sulfide influence on partial nitritation of sewage, Water Science and Technology, 76, pp. 3258-68, DOI: 10.2166/wst.2017.490.
• 7. Li, H., Ya, H., Zhang, D., Zuo, L., Ren, J., Ma, J., Pei, J., Xu, Y. & Yang, C. (2018). Short-and long-term effects of manganese, zinc and copper ions on nitrogen removal in nitritation-anammox process, Chemosphere, 193, pp. 479-88, DOI: 10.1016/j.chemosphere.2017.11.002.
• 8. Lotti, T., Kleerebezem, R. & van Loosdrecht, M.C.M. (2015). Effect of temperature change on Anammox activity, Biotechnology and Bioengineering, 122, pp. 98-103, DOI: 10.1002/bit.25333.
• 9. Luther, G.W., Sundby, B., Lewis, B.L., Brendel, P.J. & Silverberg, N. (1997). Interactions of manganese with the nitrogen cycle: Alternative pathways to dinitrogen, Geochimica et Cosmochimica Acta, 61, pp. 4043-52, DOI: 10.1016/S0016-7037(97)00239-1.
• 10. Pavlidis, M.P., Bornscheuer, U.T., Gournis, D. & Stamatis, H. (2014). Graphene-based nanobiocatalytic systems: recent advances and future prospects, Trends in Biotechnology, 32, pp. 312-20, DOI: 10.1016/j.tibtech.2014.04.004.
• 11. Qiao, S., Bi, Z., Zhou, J., Cheng, Y., Zhang, J. & Bhatti, Z. (2012). Long term effect of MnO2 powder addition on nitrogen removal by anammox process, Bioresource Technology, 124, pp. 520-5, DOI: 10.1016/j.biortech.2012.07.088.
• 12. Strous, M., Pelletier, E., Mangenot, S., Rattei, T., Lehner, A., Taylor, M.W., Horn, M., Daims, H., Bartol-Mavel, D., Wincker, P., Barbe, V., Fonknechten, N., Vallenet, D., Segurens, B., Schenowitz-Truong, C., Medigue, C., Collingro, A., Snel, B., Dutilh, B.E., Op den Camp, H.J.M., van der Drift, C., Cirpus, I., van de Pas-Schoonen, K.T., Harhangi, H.R., van Niftrik, L., Schmid, M., Keltjens, J., van de Vossenberg, J., Kartal, B., Meier, H., Frishman, D., Huynen, M.A., Mewes, H.W., Weissenbach, J., Jetten, M.S.M., Wagne, M. & Le Paslier, D. (2006). Deciphering the evolution and metabolism of an anammox bacterium from a community genome, Nature, 440, pp. 790-4, DOI: 10.1038/nature04647.
• 13. Surmacz-Górska, J., Gernaey, K., Demuynck, C., Vanrolleghem, P. & Verstraete, W. (1996). Nitrification monitoring in activated sludge by oxygen uptake rate (OUR) measurements, Water Research, 30, pp. 1228-36, DOI: 10.1016/0043-1354(95)00280-4.
• 14. Thamdrup, B. & Dalsgaard, T. (2002). Production of N2 through anaerobic ammonium oxidation coupled to nitrate reduction in marine sediments, Applied and Environmental Microbiology, 68, pp. 1312-8, DOI: 10.1128/AEM.68.3.1312-1318.2002.
• 15. Tomaszewski, M., Cema, G. & Ziembinska-Buczynska, A. (2019). Short-term effects of reduced graphene oxide on the anammox biomass activity at low temperatures, Science of the Total Environment, 646, pp. 206-211, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.07.283.
• 16. Tomaszewski, M., Cema, G. & Ziembińska-Buczyńska, A. (2017). Significance of pH control in anammox process performance at low temperature, Chemosphere, 185, pp. 439-444, DOI: 10.1016/j.chemosphere.2017.07.034.
• 17. van de Graaf, A.A., de Bruijn, P., Robertson, L.A., Jetten, M.S.M. & Kuenen, J.G. (1996). Autotrophic growth of anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms in a fluidized bed reactor, Microbiology, 142, pp. 2187-96, DOI: 10.1099/13500872-142-8-2187.
• 18. Xu, J.J., Zhu, X.L., Zhang, Q.Q., Cheng, Y.F., Xu, L.Z.J., Zhu, Y.H., Ji, Z.Q. & Jin, R.C. (2018). Roles of MnO2 on performance, sludge characteristics & microbial community in anammox system, Science of the Total Environment, 633, pp. 848-56, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.03.214.
• 19. Xu, J.J., Cheng, Y.F., Xu, L.Z.J., Zhu, X.L., Zhu, W.Q. & Jin, R.C. (2019). The performance and microbial community in response to MnO2 nanoparticles in anammox granular sludge, Chemosphere, 233, pp. 625-32, DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.06.006.
• 20. Ziembińska-Buczyńska, A., Banach-Wiśniewska, A., Tomaszewski, M., Poprawa, I., Student, S. & Cema, G. (2019). Ecophysiology and dynamics of nitrogen removal bacteria in a sequencing batch reactor during wastewater treatment start-up, International Journal of Environmental Science and Technology, 16, pp. 4215-22, DOI: 10.1007/s13762-019-02275-w.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).