Nitrogen removal and microbial community shift in oxic-settling-anoxic sludge reduction process

Abstract

Nitrifikasyon ve biyolojik azot giderme mekanizmalarını içeren sürekli araştırma çalışmalarıyla aktif çamur işleminin performansı arttırıldı. Ancak, uygulanan bu işlemden kaynaklanan aktif çamurun rutin israfı nedeniyle, sürekli olarak fazla biyokütle üretimi olmaktadır, bu da daha fazla arıtma ihtiyacıyla beraber çamurun uygun bir bölgeye atılmasını veya yakılmasını gerektirdiğinden dolayı fazla çamurun arıtımı ve imha edilmesi hala zorlayıcıdır. Fazla çamurun arıtılması ve imha edilmesi, toplam işletme maliyetinin % 25-65'ini oluşturmaktadır. Bu nedenle, aşırı çamur üretimini en aza indirmek için stratejilerin uygulanması hem çevresel hem de ekonomik açıdan ideal bir çözüm olabilir. Şimdiye kadar çamurun en aza indirilmesi için yaygın olarak Anaerobik sindirim kullanılsa da, üretilen aşırı çamur hacminin dünya çapında hala artması, biyolojik atık su arıtma proseslerinde aşırı çamur üretimini azaltmak için daha yeni, daha umut verici stratejiler ve yöntemlerin keşfedilmesi gerekmektedir. Literatürdeki mevcut bilgiler ve bu alanlardaki uzmanlıkların ışığında, nitrojen giderimi ve çamuru en aza indirgemek için uygun işlem alternatiflerinin belirlenmesi ve çamur üretimini azaltmak adına anaerobik/anoksik yan akım reaktörleriyle besin giderimi için modifiye edilmiş alternatif işlemlerin uygulanması gibi seçenekler mümkün olabilir. Literatüre göre, OSA sürecinin avantajlarına ek olarak, OSA arıtma performansını en üst düzeye çıkarmak için operasyonel ve tasarım parametrelerini belirlemek hala büyük bir ihtiyaçtır; Daha da önemlisi, OSA süreci ile ilgili çalışmaların çoğunda sentetik atık su kullanıldı, bu çalışmanın orijinal tarafı, gerçek evsel atık su kullanılarak yapılmış olmasıdır. Bu özel araştırmada, konular uluslararası bir düzeyde ele alınacaktır, çünkü OSA sürecinin entegrasyonu ile kademeli besleme SBR sistemi toplam azot giderimi açısından oldukça verimlidir, çamur imhası ve arıtımı gerekli olmayacaktır. Yine de, mevcut literatürdeki araştırmacılar arasında çamurun azaltılmasına neden olan kilit mekanizma halen çok tartışmalıdır, bu nedenle ASM1 bu çalışmada OSA sürecinde çamur azaltmaya neden olan mekanizmayı araştırmak için kullanılmıştır. Buna ek olarak mikrobiyal topluluğu değerlendirmek için literatürde ilk kez bakteriyel 16S rRNA gen amplikonları Yeni Nesil Dizileme (NGS) kullanılmıştır. Özet olarak, OSA sistemi ile ilgili multidisipliner bir yaklaşım ve yoğun araştırma gerektiren bir zorluk yaratan birçok darboğaz vardır. Bu çalışmanın amacı, OSA sürecinin uygulanmasından önce ve sonra SBR sistemlerinin performansını göstermektir. Gerçek atık su kullanan OSA sürecindeki bilgi eksikliği, OSA sistemlerinin uygulanmasından sonra toplam azot giderimi, aşırı çamur azaltımı, mikrobiyal topluluk değişikliklerine odaklanan bu çalışmayı güçlü bir şekilde motive etmiştir. Bu çalışma, gerçek atık suyun tam ölçekte arıtılmasında OSA sistemlerinin uygulanmasının daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunacaktır. Kentsel atıksu arıtımı sırasındaoluşan fazla çamurun uzaklaştırılması ve besi maddesi giderimi konusunda son yıllarda uygulanan standartların sıkılığı,pekçok atıksu arıtma tesisinin çıkış suyu standartlarını sağlama ve çamuroluşumu konusunda ciddi zorluklarla karşı karşıya kalmasına neden olmuştur. Bu çalışmada, yukarıda belirtilensorunların giderilmesi konusunda gelecek vaad eden bir proses olanoksik-çökeltim-anaerobik (OSA) üzerine odaklanılarak, azot giderimi ve çamur azalmasının birlikte gerçekleştirildiği bir sistemin değerlendirilmesi amaçlamıştır. Yan akım reaktöründe en yüksek çamur azalması iç geri devir oranının %7,7 olduğu durumda %58 olarak gerçekleşmiştir. Diğer sistemlerde ise iç geri devir oranının %5,9 ve 5,0 olması durumlarında bu değer sırasıyla %37 ve %35 olarak elde edilmiştir. Bu doğrultuda, bu sistemlerde, yan akım reaktöründen gelen çamur girişi nedeniyle ana reaktörde gerçekleşen yüksek biyokütle konsantrasyonunun ve çamur bekletme süresinin etkisiyle mikrobiyal ölüm fazının çoğalmaya görece daha yüksek gerçekleştiği düşünülmektedir. Bu sistemlerde, aynı zamanda, yüksek (%85'e kadar) azot giderim verimlerinin gerçekleştiği gözlenmiştir. Buna göre, iç geri devir oranının, literatürde genellikle kullanılan %10 oranı yerine %8 olarak gerçekleştirilmesinin hem çamur azalması hem de azot giderimi açısından, muhtemelen daha düşük maliyetli, bir seçenek olacağı düşünülmektedir. OSA prosesi, biyolojik atıksu arıtımı sırasında kaçınılmaz olarak oluşan, susuzlaştırılıp stabilize edildikten sonra uzaklaştırılması gereken fazlabiyolojik çamur miktarının azaltılmasına yönelik olarak fazla çamur yan akımına anaerobik reaktör ilavesi ile gerçekleştirilmektedir. İlave edilen yan akım anaerobik reaktörde, fazla çamur hattındaki biyolojik çamurun bir kısmı belirli bir süre oksijensiz koşullara maruz bırakıldıktan sonra biyolojik arıtma ünitelerinin girişine biyokütle girdisi olarak verilmektedir. Bu sayede, yan akım reaktöründe kısmi stabilize olan çamur biyolojik ünitelerde besi madde olarak kullanılmak suretiyle özellikle azot giderimi için karbon kaynağı olma potansiyeli taşımaktadır. Aynı zamanda, yan akımda stabilizasyon nedeniyle sistemin çamur yaşı artmakta, dolayısıyla gözlenen dönüşüm oranları düşmektedir. Bunun sonucu olarak da biyolojik sistemde çamur üretimi azalmakta ve uzaklaştırılacak çamur miktarı düşmektedir. Bu çalışmada, çamur azalmasına yönelik olarak geliştirilen OSA sistemi kullanılarak farklı işletme koşullarında çamur azalması oranları ve azot giderimine yoğunlaşılmıştır. Bu sistemlerin aktif çamur modelleri ile modellenmesi ve gerçek sistemlere yönelik modelleme çalışmalarına esas oluşaturacak kinetik katsayı belirleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, bu sistemlerde farklı işletme şartlarında mikrobiyal topluluğun değişimi ortaya konulmaya çalışılmıştır. Mikrobiyal kinetiğin değerlendirilmesi ve çamur azaltma mekanizmasının daha iyi anlaşılması için bir dizi respirometrik test tasarlanmıştır. Kalibrasyon çalışmasının sonuçlarına göre mikrobiyal ölüm oranının, sistem konfigürasyonuna bağlı olarak, en değişken kinetik parametre olduğu görülmüştür. Bu kinetik katsayının sistemler OSA konfigürasyonunda işetilmeye başlandıktan sonra önemli ölçüde arttığı, buna karşılık -diğer model parametrelerinin neredeyse sabit kaldıkları görülmüştür. Bu durumun, mikrobiyal topluluktaki veya mevcut topluluğun metabolizmasındaki değişimden kaynaklanıyor olabileceği düşünülmektedir. Bu çalışmada işletilen klasik aktif çamur sistemlerinde, yürütülen respirometrik analizler sonucunda, aktif biyokütle oranı% 75 civarında elde edilmişken yan akım reaktöründe bu değer 2 kat daha düşük olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak, respirometrik analizlerden elde edilen veriler doğrultusunda, OSA prosesininölüm fazını teşvik ettiği, bunun sonucu olarak reaktördeki biyokütle canlılığını azaldığı ve aşırı çamur azalmasının sağladığı sonucuna varılmıştır. Bu çalışmanın en önemli yönlerinden birisi de gerçek evsel atık su kullanılmasıdır. Literatürdeki çalışmalar sentetik olarak hazırlanmış atıksuların kullanımı ile gerçekleştirilmişken, tüm deneysel çalışma bir atıksu arıtma tesisi kum tutucu çıkışından alınan ham atılsu ile yürütülmüştür. Böylelikle, OSA prosesinin pratik uygulanabilirliği yönünde önemli sonuçlar elde edilebilmiştir. Elde edilen veriler, OSA sistemlerinde çamur azalmasının ve azot gideriminin birlikte gerçekleştirilebilirliğinin mümkün olduğunu göstermiştir. Mikrobiyal topluluğun ölüm fazına yakın çalışması ve biyolojik çamur girdisi nedeniyle biyolojik reaktörde yüksek biyokütle konsantrasyonları elde edilmiş, bu çalışma süresinde sistemden normal biyolojik atıksu arıtma tesislerinde yapılan rutin çamur atma işlemi yapılmamıştır. Yürütülen deneysel çalışmada, kurulan OSA sistemleri farklı değişim oranlarında işletilmiştir. Bu amaçla, biyolojik sistemden yan akım reaktörüne beslenen çamur miktarları değiştirilmiştir. Bu sistemlerde çamur azalması, gözlenen dönüşüm oranları ve azot giderim yüzdeleri belirlenmiştir. Mikrobial topluluk kompozisyonu başlangıç biyolojik çamuru ve farklı işletilmiş OSA sistemlerinden alınan biyolojik çamurlarda belirlenerek sonuçlar karşılaştırılmıştır. Literatürde ilk kez kapsamlı olarak, bu sistemlerde, bakteriyel 16S rRNA gen sekanslama analizi (Yeni Nesil Sekanslama) ile mikrobiyal topluluk profili ortaya konulmuş ve değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, çamur azalması oranlarının değerlendirilmesi ve mikrobiyal topluluktaki değişimin ortaya konulması amacıyla farklı iç geri devir oranlarında işletilen sistemlerin gözlenen dönüşüm oranları hesaplanarak, aynı koşullarda işletilen kontrol sistemleri ile karşılaştırılmıştır. Buna göre, en yüksek çamur azalması (%52,1) iç geri devir en yüksek olduğunda elde edilmiştir. 16S rRNA gen amplikon sekans analizi, benzer filogenetik gruplardan, Proteobakteriler, Acidobacteria ve Bacteroidetes türlerinden oluşan bakteri topluluğunun baskın olduğunu göstermiştir. Değişen iç geri devir oranlarına bağlı olarak bu toplulukların baskınlığı da farklılık göstermiştir. OSA sistemlerindeThiothrixtürünün baskın olduğu ve sistemlerde önemli rolü olabileceği görülmüştür. Çamur üretiminin en aza indirilmesinin, Intrasporangiaceae türlerinin baskınlığı ile de ilgili olabileceği elde edilen bulgular arasındadır.

Meanwhile, as environmental legistation has become more restricted for nutrient removal and excess sludge generated during municipal wastewater treatment, many WWTPs are facing serious challenges in terms of effuent standards and waste production. This particular PhD study focused on OSA technology and intended to evaluate simultaneous nitrogen removal and sludge minimization in oxic-settling-anoxic process. Basically, it regarded the anaerobic reactor of the OSA system as an external unit, which provided stabilization to the excess sludge of the system. The experimental studies were mainly focused therefore, on the assessment of the nitrogen removal and sludge reduction. The novelty of this study was to use a real domestic sewage, because most of the studies reporting the feasibility of an OSA process are related to synthetic wastewater. The results of this study indicated that intermittently aerated OSA systems could accomplish less sludge and nitrogen removal simultaneously. A significant influence of sludge age on the sludge reduction was observed compared to conventional activated sludge systems (CAS). The greater corresponding sludge reduction was achieved as 58% operated at interchange ratio of 7.7% in the side-stream reactor, while others revealed 37% and 35%, where interchange ratios were 5.9 and 5.0%, respectively. Sludge reduction could be suggested as the result of higher biomass concentration sustained in the main reactor accepting repetitive sludge flow from side-stream reactor, thus increase in decay with respect to growth process.High nitrogen removal was observed as well (up to 85%) in systems. Interchange ratio of around 8% was the most optimized level, which is a little lower than that of proposed and applied in most studies in the literature, which would possibly be more cost-effective. Moreover, the mechanism behind the sludge minimization in the oxic-settling-anoxic (OSA) process, which is one of the promising variants that produces lower amounts of sludge and has been applied to aerobic and nutrient removal systems, was evaluated and resulted.The characteristics of an OSA process as a sludge reduction system by calibration of kinetic coefficients of ASM1 model with some modifications was evaluated. A series of respirometric tests were designed for the assessment of microbial kinetics and for further clarification of sludge reduction mechanism. The calibration results showed that the decay rate was the most variable kinetic parameter depending on the system configuration. It was determined that this kinetic coefficient increased significantly after the system was modified into OSA configuration while other model parameters were almost kept constant. This may be referred to a change either in the microbial population or in the metabolism of the community. The active biomass ratio in the CAS reactor was found to be around 75%, while it was almost 2 times lower in the side-stream reactor. All results led to a conclusion that OSA process is encouraging endogenous decay and consequently lowers biomass viability in the reactor and achieves excess sludge reduction in the system. In addition to that, it was also established whether different interchange ratios reveal variations on the microbial community of oxic-settling-anoxic process (OSA) treating real domestic wastewater. Bacterial community compositions were processed and analyzed for sludge samples: seed sludge, and sludge from two different reactors operated as a OSA process, which is the most promising technique for reducing sludge produced at the wastewater treatment plants. Next Generation Sequencing (NGS) of bacterial 16S rRNA gene amplicons was used to analyze the change in the microbial community profile and data were evaluated extensively for the first time in the literature. The results of this study were indicated that, in OSA systems, there is an obvious microbial shift from conventional activated sludge systems . The sludge yield of systems operated for different IRs (1/13, 1/17 and 1/20) to assess sludge reduction and analyze microbial community composition variations were estimated and compared to that of control. The higher IR resulted in the highest sludge reduction (52.1%). 16S rRNA gene amplicon sequencing analysis showed that, the bacterial community composed of similar phylogenetic groups, Proteobacteria, Acidobacteria, and Bacteroidetes species being dominant. The abundances differed due to the applied IRs. The abundance of Thiothrix species boosted in the OSA trials may have a vital role in OSA systems. Minimization of the sludge production may have a bearing on the abundance of Intrasporangiaceae species.