Vojtěch Kouba

Vedoucí/Supervisor

doc. Jan Bratáček, Ph.D.

Jazyk/Language

English

Abstract

The costs for municipal wastewater treatment can be substantially reduced by nitrogen removal via the partial nitritation-anammox (PN/A) process. PN oxidizes half of the ammonium to nitrite by aerobic ammonium oxidizing bacteria (AOB). Then, anammox bacteria anaerobically oxidize residual ammonium with nitrite as the electron acceptor to N₂. To apply PN/A below 30─35 °C in the diluted mainstream of municipal wastewater, the unfavorable nitrite-oxidizing bacteria (NOB) need to be suppressed and the low activity of anammox bacteria needs to be improved.
In this thesis, we pursued the use of PN/A in mainstream sewage treatment. We started from developing strategies for NOB suppression both in lab and pilot setting, continued by improving anammox adaptation to cold, and concluding by studying the physiological changes of anammox in cold conditions.
To wash out NOB efficiently at realistic total ammonium nitrogen (TAN) concentrations of 30─80 mg.L-1 and 12 °C, fast-growing AOB were selectively cultivated in a suspended sludge PN sequencing batch reactor (SBR). In the SBR, solids retention time was limited; effluent ammonia was kept high by interactive aerobic phase duration control. The SBR was fed with real anaerobically pre-treated municipal wastewater. High-rate PN was obtained for over 100 days, during which small amounts of NOB were efficiently suppressed. Compared to our single-stage PN/A work, the approach achieved higher nitrogen loading rates, as the loading rate was not limited by the low activity of AOB. And, compared to our work on PN SBRs, the approach yielded a long-term suppression of NOB at realistic TAN concentrations. The selective NOB suppression could further be augmented by sulfide which is intrinsically present in e.g. sewage pre-treated in anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) or can be supplied. However, sulfide in feed for PN must be strictly controlled, as it is also toxic for AOB. Finally, we combined high effluent ammonia, limited SRT, and initial sulfide inhibition of NOB into a pilot unit PN SBR fed by sewage pre-treated in AnMBR. Consequently, full nitrite accumulation was achieved within 7 days, and aside from technical disturbances, it was maintained for 113 days, demonstrating efficient NOB suppression at 13-31 °C and influent TAN concentrations of 44─65 mg.L-1.
To improve anammox activity at low temperatures, we comprehensively tested a new and potentially faster adaptation strategy: cold shock. First, when three shocks [24 °C ─> 5 °C (8 h) ─> 24 °C] were applied to anammox in an MBBR, batch assays displayed an up to 10-fold improvement in anammox activity in a short term. Second, a more realistic single shock [35 °C ─> 5 °C (8 h) ─> 15 °C] applied to flocculent anammox culture doubled the activity for at least 56 days.
Moreover, we were the first to comprehensively determine the susceptibility of anammox bacteria to low temperature based on their temperature history, membrane lipids composition, and dominant anammox genera. The size of ladderane lipids, phospholipids unique to anammox, was a key physiological driver of anammox performance at low temperatures. At below 15 °C, the activation energies of most mesophilic cultures were severely impacted while those of the psychrophilic cultures remained stable; the adaptation of mesophilic cultures to psychrophilic regime necessitates months but can take up to 5 years. The marine enrichment of “Candidatus Scalindua” had the outstanding potential for N-removal from cold streams. Also, drivers of ladderane structures were determined.
In sum, this thesis contributes knowledge essential for the full-scale testing of PN fed by anaerobically pre-treated sewage at medium temperatures and provides a promising pathway for PN in winter temperatures in a mild climate. It also introduces new information on potentially much faster strategy for anammox adaptation to cold and cold anammox physiology, bringing us closer to the more efficient treatment of municipal wastewater.

Abstrakt

Náklady na čištění splaškové vody je možné zredukovat odstraněním dusíku procesem částečná nitritace-anammox (PN/A). PN/A přeměňuje polovinu amoniaku na dusitany nitritačními mikroorganismy, a následně amoniak a dusitany přeměňuje na N₂ bakteriemi anammox (anaerobic ammonium oxidation). Pro aplikace PN/A na hlavní proud splaškové vody při méně než 30-35 °C je třeba: (i) potlačit nežádoucí dusitany oxidující bakterie, a (ii) zvýšit aktivitu anammox bakterií.
V této práci jsme optimalizovali PN/A na hlavní proud naředěné a studené splaškové vody. Začali jsme strategiemi pro potlačení NOB v laboratorním i pilotním měřítku, pokračovali adaptací anammox na nízké teploty a zakončili studiem fyziologických změn anammox bakterií za nízkých teplot.
Potlačení NOB za realistických koncentrací Namon 30-80 mg.L-1 a 12 °C jsme docílili kultivací biomasy v suspenzním nitritačním SBR. Stáří kalu bylo limitováno a vhodně vysoká odtoková koncentrace Namon byla udržována pomocí interaktivního řízení aerobní délky cyklu. SBR upravoval reálnou anaerobně předčištěnou splaškovou vodu. Po dobu 100 dní provozu byly NOB úspěšně potlačeny, navíc při vysokém odstraněném zatížení Namon. Oproti našemu jednostupňovému PN/A má tento přístup potenciál dosáhnout vyššího zatížení dusíkem, protože zatížení není omezeno nízkou aktivitou AOB. Ve srovnání s naší další prací na nitritačních SBR jde o první úspěšné potlačení NOB při reálných koncentracích Namon. NOB je možné dále selektivně potlačit sulfidy přirozeně se vyskytujícími např. ve splaškové odpadní vodě předčištěné v anaerobním membránovém reaktoru (AnMBR), nebo mohou být cíleně dávkovány. Dávkování sulfidů do nitritace je třeba pečlivě kontrolovat, protože jsou toxické i pro nitritační mikroorganismy. Z dlouhodobého hlediska je třeba sulfidy z přítoku do nitritace odstranit (př. pre-aerací). Na závěr jsme zkombinovali vysokou koncentraci Namon v odtoku, limitaci stáří kalu a inhibiční dávku sulfidů do pilotního reaktoru, který upravoval splaškovou vodu předčištěnou v AnMBR. Plná akumulace dusitanů byla dosažena již během 7 dní a udržet se ji podařilo po 113 dní, což ukazuje na účinné potlačení NOB při 13-31 °C a 44-65 mg.L-1.
Abychom zlepšili aktivitu anammox mikroorganismů při nízkých teplotách, testovali jsme novou a potenciálně rychlejší strategii: studený šok. Nejprve jsme anammox v MBBR provozovaný při 24 °C po dobu 8 hodin vystavili 3 šokům o 5 °C. V jednorázových testech před a po šocích se ukázalo, že šoky mohou aktivitu anammox při nízkých teplotách zvýšit až 10-ti násobně. Poté realističtější šok [35 °C ─> 5 °C (8 h) ─> 15 °C] aplikovaný na suspenzní anammox kulturu zdvojnásobil její aktivitu po alespoň 56 dní.
Dále jsme jako první detailně popsali, jak se citlivost anammox bakterií na nízkou teplotu mění s teplotní historií, složením membránových lipidů a dominantním rodem anammox. Jako klíčové pro výkonnost anammox za nízkých teplot se ukázalo složení ladderánových lipidů, fosfolipidů unikátních pro anammox bakterie, a obsah bakteriohopanoidů. Aktivační energie řady mesofilních kultur narůstá při méně než 15 °C, zatímco u psychrofilních kultur je stabilní (nejnižší testovaná teplota 10 °C). Adaptace mesofilních kultur na psychrofilní režim vyžaduje 8 měsíců až 5 let. Mořská obohacená kultura „Candidatus Scalindua“ měla při 10-20 °C extrémně vysokou aktivitu, což ukazuje její vynikající potenciál pro odstraňování dusíku ze studených odpadních vod. Ladderány je možné v budoucnu využít jako cennou surovinu, a protože mohou mít různé tvary s pravděpodobně rozdílnými vlastnostmi, zjistili jsme jejich složení v různých anammox populacích a kultivačních teplotách.
Dizertace poskytuje podklady pro provozní testování částečné nitritace předčištěné splaškové odpadní vody za teplot přibližujících se zimním teplotám v mírném klimatu. Uvádíme též informace o nové a potenciálně rychlejší metodice adaptace anammox na nízké teploty, a o fyziologii anammox adaptovaných na nízké teploty, čímž se blížíme efektivnějšímu čištění splaškových odpadních vod.