Magdalena Zielińska, Agnieszka Cydzik-Kwiatkowska, Katarzyna Bernat, Marcin Zieliński, Dorota Kulikowska, Irena Wojnowska-Baryła
University of Warmia and Mazury in Olsztyn
Streszczenie
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, częściowa nitryfikacja, wody nadosadowe, bakterie utleniające azot amonowy, bakterie utleniające azot azotanowy(III)
Start-up of a One-stage Biofilm Reactor for the Removal of Nitrogen from Digester Supernatant in the Partial Nitrification-Anammox Process
Abstract
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.
Keywords
Anammox, partial nitrification, digester supernatant, AOB, NOB
Pełny tekst / Full text
PDF (English)
