Tlenowy osad granulowany - alternatywa dla klasycznego osadu czynnego

• Autorzy: Podedworna J. , Sytek-Szmeichel K. , Augustyniak P.

Identyfikatory

DOI

10.15199/17.2016.4.5

Warianty tytułu

EN

Aerobic granular sludge - an alternative for classic activated sludge

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Badania nad tlenowym osadem granulowanym rozpoczęto w latach 90. XX wieku i od tego czasu były prowadzone w skali laboratoryjnej w reaktorach porcjowych przez wielu badaczy. Artykuł jest próbą (podjętą w oparciu o studia literaturowe) zwięzłego przedstawienia tej przyszłościowej technologii, która po wielu latach badań teraz doczekała się swoich pierwszych zastosowań w skali technicznej. Osad granulowany uważa się za skutek procesu samo-immobilizacji mikroorganizmów, która przebiega bez stosowania materiału nośnikowego. W opracowaniu zaprezentowano nie tylko właściwości tlenowego osadu granulowanego (takie jak: wysoka szybkość sedymentacji, długi czas zatrzymania, duża aktywność i odporność na wysokie obciążenie ładunkiem) oraz zalety tej technologii (układ kompaktowy z wysokim stężeniem biomasy, wysoka efektywność usuwania biogenów, redukcja dużych osadników i dużych powierzchni niezbędnych do oczyszczania ścieków), ale także główne koncepcje mechanizmów granulacji i czynniki warunkujące przebieg tego procesu (obciążenie reaktora, hydrodynamiczne siły ścinające, hydrauliczny czas zatrzymania, głód substratowy w warunkach tlenowych, współczynnik wymiany w SBR etc.). Omówiono także pierwszą opatentowaną technologię tlenowego osadu granulowanego zastosowaną w skali technicznej w wielu krajach, w tym także w Polsce (Nereda®), oraz nowy typ reaktora przepływowego pracującego z tlenowym osadem granulowanym (Reverse Flow Baffled Reactor - reaktor przegrodowy ze zmiennym kierunkiem przepływu).

EN

Researches on the aerobic granular sludge started in the nineties of the 20th century and since that time were conducted in lab scale sequencing batch reactors (SBRs) by many researchers. The work is an attempt (based on a literature study) to concisely present this forward-looking technology, which after many years of research has now its first applications on a technical scale. The sludge granulation is considered to be a result of a microbial self-immobilization process, as no carrier material is used. The paper presents not only the granular sludge characteristics (such as: high settling velocities, high biomass retention, high activity and ability to withstand high loading rates) and advantages of this technology (compact system with high biomass concentration, high efficiency of nutrient removal, reducing large settling tanks and large surface areas for wastewater treatment), but also the main concepts of granulation mechanisms and the factors determining the course of granulation process (loading rates, hydrodynamic shear force, hydraulic retention time, aerobic starvation, exchange ratios in SBR etc.). Moreover, the first aerobic granular sludge technology used on a technical scale in several countries, including Poland (Nereda®), and a novel type of continuous flow reactor operating with aerobic granular sludge (Reverse Flow Baffled Reactor) are discussed.

Słowa kluczowe

PL

tlenowy osad granulowany; osad czynny granulowany

EN

aerobic granular sludge; activated sludge

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Gaz, Woda i Technika Sanitarna
• Rocznik: 2016
• Tom: Nr 4
• Strony: 142--148
• Opis fizyczny: Bibliogr. 53 poz., rys.

Twórcy

autor

Podedworna J.

• Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska, 00-653 Warszawa, ul. Nowowiejska 20

autor

Sytek-Szmeichel K.

• Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska, 00-653 Warszawa, ul. Nowowiejska 20

autor

Augustyniak P.

• Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska, 00-653 Warszawa, ul. Nowowiejska 20

Bibliografia

• [1] Adav S.S., Lee D.J., Show K.Y., & Tay J.H. 2008. „Aerobic granular sludge: recent advances”, Biotechnology advances, 26(5): 411-423.
• [2] Arrojo B. 2007. Rozprawa doktorska: Advanced systems for biological treatment of high nitrogen - loaded wastewater, Uniwersytet Santiago de Compostela.
• [3] Augustyniak P. i Podedworna J. 2016. „Tlenowy granulowany osad czynny. Koncepcje mechanizmów formowania, właściwości i wymagania technologiczne”, Wyd. Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Warszawa (obecnie w druku).
• [4] Barr J.J., Cook A.E., & Bond P.L. 2010. “Granule formation mechanisms within an aerobic wastewater system for phosphorus removal”, Applied and environmental microbiology, 76(22): 7588-7597.
• [5] Beun J.J., Hendriks A., Van Loosdrecht M.C.M., Morgenroth E., Wilderer P.A., & Heijnen J.J. 1999. „Aerobic granulation in a sequencing batch reactor”, Water Research, 53(10): 2283-2290.
• [6] Cydzik-Kwiatkowska A., M. Zielińska .2011. „Technologia osadu granulowanego w oczyszczaniu ścieków” Trendy w biotechnologii środowiskowej, Wyd. Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie, Olsztyn, 2011: 63-85.
• [7] Cydzik-Kwiatkowska A., K. Bernat, M. Zielińska, I. Wojnowska-Baryła, 2014. „Cycle length and COD/N ratio determine properties of aerobic granules treating high-nitrogen wastewater”, Bioprocess and bio-systems engineering, 37(7): 1305-1313.
• [8] de Kreuk M.K., Picioreanu C., Hosseini M., Xavier J.B., & Van Loosdrecht M.C.M. 2007. „Kinetic model of a granular sludge SBR: influences on nutrient removal”, Biotechnology and bioengineering, 97(4): 801-815.
• [9] Gao D., Liu L., Liang H., & Wu W.M. .2011. „Aerobic granular sludge: characterization, mechanism of granulation and application to wastewater treatment „Critical Reviews in Biotechnology, 3/(2): 137-152.
• [10] Giesen A., van Loosdrecht M.C.M., de Bruin L.M.M., Pronk M., van der Roest H. 2014. “Full-scale Experiments With Aerobic Granular Biomass Technology For Treatment Of Urban And Industrial Wastewater”.
• [11] Gonzalez-Gil G., & Holliger C. 2014. “The microbial landscape and architecture of aerobic granules, their life stages and practical implications”, Applied and Environmental Microbiology, AEM-00250.
• [12] Kończak. 2011. Rozprawa doktorska: Rola polimerów zewnątrzkomórkowych w mechanizmach powstawania i aktywności granulowanego osadu czynnego w warunkach tlenowych, Politechnika Śląska Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Gliwice 2011.
• [13] Kończak B., Miksch K. 2009. „Formowanie granulowanego osadu czynnego w warunkach tlenowych” Podstawy Biotechnologii Środowiskowej - trendy, badania, implementacje cz. II., (red. Żabczyński S.), Wydawnictwo Politechniki Śląskiej: 69-74.
• [14] Laspidou CH. S., Rittman B.E. 2002, A united theory for extracellular polymeric substances, soluble microbial products, and active and inert biomass, Wat. Res., 36: 2711-2720,
• [15] Lemaire R., Webb R.I., & Yuan Z. 2008. „Micro-scale observations of the structure of aerobic microbial granules used for the treatment of nutrientrich industrial wastewater” The ISME journal, 2(5): 528-541.
• [16] Li Y., Liu Y., Liang S., Feng C., 2008. “DO diffusion profile in aerobic granule and its microbiological implications. Enzyme Microb. Technol.”, (43): 349-354.
• [17] Li A.J., Yang S.F., Li X.Y., & Gu J.D. 2008. “Microbial population dynamics during aerobic sludge granulation at different organic loading rates”, Water Research, 42(13): 3552-3560.
• [18] Li J., Cai A., Ding L., Sellamuthu B., & Perreault J. 2015. „Aerobic sludge granulation in a Reverse Flow Baffled Reactor (RFBR) operated in continuous-flow mode for wastewater treatment”, Separation and Purification Technology, (149): 437-444.
• [19] Li X.M., Liu Q.Q., Yang Q., Guo L., Zeng G.M., Hu J.M., & Zheng W. 2009. Enhanced aerobic sludge granulation in sequencing batch reactor by Mg2+ augmentation, Bioresource technology, 100( 1): 64-67.
• [20] Lin L.H., Jian L.W., Xiang H.W., Yi Q. 2005. “The formation and characteristics of aerobic granules in sequencing batch reactor (SBR) by seeding anaerobic granules”, Process Biochem., (40): 1-7.
• [21] Liu Y.Q, Tay J.H., Ivanov V., Moy B.Y.P., Liu Y., Tay S.T.L. 2005. “Influence of phenol on nitrification by microbial granules”, Process Biochem., (40): 3285-9.
• [22] Liu Y.Q., & Tay J.H. 2007. “Characteristics and stability of aerobic granules cultivated with different starvation time”, Applied microbiology and biotechnology, 75(1): 205-210.
• [23] Liu Y.Q., & Tay J.H. 2008. „Influence of starvation time on formation and stability of aerobic granules in sequencing batch reactors”, Bioresource technology, 99(5): 980-985.
• [24] Liu Y., & Tay J.H. 2004. „State of the art of biogranulation technology for wastewater treatment”, Biotechnology advances, 22(1): 533-563.
• [25] Liu Y., & Tay J.H. 2002. „The essential role of hydrodynamic shear force in the formation of biofilm and granular sludge”, Water Research, 36(7): 1653-1665.
• [26] Liu Y., Wang Z.W., Qin L., Liu Y.Q., & Tay J.H. 2005. „Selection pressure-driven aerobic granulation in a sequencing batch reactor”, Applied Microbiology and Biotechnology, 67(1): 26-32.
• [27] Liu Z., Liu Y., Zhang A., Zhang C., & Wang X. 2014. “Study on the process of aerobic granule sludge rapid formation by using the poly aluminum chloride (PAC)”, Chemical Engineering Journal, 250: 319-325.
• [28] Lochmatter S., & Holliger C. 2014. “Optimization of operation conditions for the startup of aerobic granular sludge reactors biologically removing carbon, nitrogen, and phosphorous”, Water research, 59: 58-70.
• [29] Lv Y., Wan C., Lee D.J., Liu X., & Tay J.H. 2014. „Microbial communities of aerobic granules: granulation mechanisms“, Bioresource technology, 169: 344-351.
• [30] McSwain B.S., Irvine R.L., & Wilderer P.A. 2004. „The effect of intermittent feeding on aerobic granule structure”, Water Science & Technology, 49(11-12): 19-25.
• [31] Moy B.Y.P., Tay J.H., Toh S.K., Liu Y., Tay S.T.L. 2002. ’’High organic loading influences the physical characteristics of aerobic granules”, Lett. Appl. Microbiol., (34):407-12.
• [32] Ni B.J., Xie W.M., Liu S.G., Yu H.Q., Wang Y.Z., Wang G., i in. 2009. “Granulation of activated sludge in a pilot-scale sequencing batch reactor for the treatment of low-strength municipal wastewater”, Water Res., (43): 751-61.
• [33] Pronk M., Abbas B., Al-zuhairy S.H.K., Kraan R., Kleerebezem R., & Van Loosdrecht M.C.M. 2015. “Effect and behaviour of different substrates in relation to the formation of aerobic granular sludge“, Applied microbiology and biotechnology, 99(12): 5257-5268.
• [34] Qin L., Liu Y., Tay J.H. 2004. “Effect of settling time on aerobic granulation in sequencing batch reactors”, Biochem. Eng. J., 21: 47-52.
• [35] Rocktäschel T., Klarmann C., Ochoa J., Boisson P., Sørensen K., & Horn H. 2015. „Influence of the granulation grade on the concentration of suspended solids in the effluent of a pilot scale sequencing batch reactor operated with aerobic granular sludge”, Separation and Purification Technology, (142): 234-241.
• [36] Seviour T., Pijuan M., Nicholson T., Keller J., & Yuan Z. .2009. „Gel- forming exopolysaccharides explain basic differences between structures of aerobic sludge granules and floccular sludges”, Water Research, 43(18): 4469-4478.
• [37] Seviour T., Pijuan M., Nicholson T., Keller J., & Yuan Z. 2009. “Understanding the properties of aerobic sludge granules as hydrogels”, Biotechnology and bioengineering, 102(5): 1483-1493.
• [38] Tay J.H., Liu Q.S., Liu Y. 2002, “Characteristics of aerobic granules grown on glucose and acetate in sequential aerobic sludge blanket reactors”, Environ. Technol., (23): 931-6.
• [39] Tay S.T.L., Moy B.Y.P., Maszenan A.M., Tay J.H. 2005. “Comparing activated sludge and aerobic granules as microbial inocula for phenol biodegradation. Appl”, Microbiol. Biotechnol., (67): 708-13.
• [40] Tay J.H., Liu Q.S., & Liu Y. 2001. “Microscopic observation of aerobic granulation in sequential aerobic sludge blanket reactor”, Journal of Applied Microbiology, 9/(1): 168-175.
• [41] Tay J.H., Liu Q.S., & Liu Y. 2001. „The effects of shear force on the formation, structure and metabolism of aerobic granules, Applied Microbiology and Biotechnology, 57(1-2): 227-233.
• [42] Tay J., Liu Q., & Liu Y. 2004. „The effect of up flow air velocity on the structure of aerobic granules cultivated in a sequencing batch reactor“, Water Science & Technology, 49(11-12): 35-40.
• [43] Toh S.K., Tay J.H., Moy B.Y.P., Tay S.T.L. 2003. “Size-effect on the physical characteristics of the aerobic granule in a SBR”, Appl. Microbiol. Biotechnol., (60): 687-695.
• [44] Verawaty M., Pijuan M., Yuan Z., & Bond P.L. 2012. “Determining the mechanisms for aerobic granulation from mixed seed of floccular and crushed granules in activated sludge wastewater treatment“, Water Research, 46(3): 761-771.
• [45] Wang Z.W., Liu Y., Tay J.-H. 2007. “Biodegradability of extracellular polymeric substances produced by aerobic granules”, Microbiol. Biotechnol., 74: 462-466.
• [46] Wang Z.W., Liu Y., Tay J.H. 2006. “The role of SBR mixed liquor volume exchange ratio in aerobic granulation”, Chemosphere, 62(5): 767-71.
• [47] Wanner J. 1994. “Activated sludge: bulking and foaming control, CRC Press.
• [48] Weber S.D., Ludwig W., Schleifer K.H., & Fried J. 2007. „Microbial composition and structure of aerobic granular sewage biofilms”, Applied and environmental microbiology, 73(19): 6233-6240.
• [49] Wei D., Wang Y., Wang X., Li M., Han F., Ju L., ... & Wei Q. 2015. „Toxicity assessment of 4-chlorophenol to aerobic granular sludge and its interaction with extracellular polymeric substances“, Journal of hazardous materials, 289: 101-107.
• [50] Winkler M.K., Kleerebezem R., Khunjar W.O., de Bruin B., & van Loosdrecht M.C. 2012. „Evaluating the solid retention time of bacteria in flocculent and granular sludge” Water Research, 46(16): 4973-4980.
• [51] Zheng Y.M., & Yu H.Q. 2007. „Determination of the pore size distribution and porosity of aerobic granules using size-exclusion chromatography”, Water Research, 4/(1): 39-46.
• [52] Zheng Y.M., Yu H.Q., Liu S.J., & Liu X.Z. 2006. Formation and instability of aerobic granules under high organic loading conditions, Chemosphere, 63(10): 1791-1800.
• [53] Zhou D., Niu S., Xiong Y., Yang Y., & Dong S. 2014. “Microbial selection pressure is not a prerequisite for granulation: dynamic granulation and microbial community study in a complete mixing bioreactor”, Bioresource technology, 161: 102-108.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.