Sviluppo di comunità microbiche in biofilm e fanghi attivi in ​​un reattore ibrido

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12558 (2022) Citare questo articolo

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I microrganismi svolgono un ruolo chiave nel trattamento biologico delle acque reflue. La forma in cui si sviluppa la biomassa determina l'efficienza e i meccanismi di conversione dei composti organici, a causa delle diverse condizioni nelle varie strutture microbiche. Tuttavia, i risultati degli studi che confrontano le comunità microbiche nel biofilm e nei fanghi attivi sono spesso contrastanti. Pertanto, questo studio ha confrontato la composizione e lo sviluppo delle comunità batteriche nel biofilm e nei fanghi attivi in ​​un reattore ibrido, utilizzando il sequenziamento dell'rRNA 16S. L'analisi statistica dei dati di sequenziamento includeva l'identificazione dei taxa caratteristici del biofilm e dei fanghi attivi, l'analisi della diversità alfa e beta e l'analisi della rete. Queste analisi hanno indicato che la comunità batterica del biofilm era più ricca e diversificata rispetto alla comunità dei fanghi attivi. Il numero medio di OTU era 1614 nel biofilm e 993 nei fanghi attivi, e i valori medi degli indici di biodiversità Chao1 (1735 vs 1105) e Shannon (5,3 vs 4,3) erano significativamente più alti per il biofilm. Il biofilm era un ambiente migliore per lo sviluppo di nitrificanti (ad esempio, Nitrosomonas, Nitrospira) e di organismi che accumulavano fosforo (Candidatus Accumulibacter). I batteri nella rete di co-presenza del biofilm avevano più connessioni (in base al coefficiente di correlazione dei ranghi di Spearman) tra loro, indicando che interagiscono più di quelli nei fanghi attivi.

I reattori biologici ibridi, che combinano la crescita di microrganismi nei fanghi attivi e nel biofilm, sono ampiamente utilizzati nel trattamento delle acque reflue in una varietà di configurazioni diverse. Nella tipologia più comune di bioreattori ibridi, il biofilm si sviluppa su supporti mobili aggiunti ad una vasca di aerazione, ma esistono anche sistemi con altre soluzioni tecnologiche come un contattore biologico rotante o un letto sommerso. L’utilizzo di bioreattori basati sulla tecnologia ibrida consente di aumentare la concentrazione di biomassa e di migliorare l’efficienza del trattamento delle acque reflue. Un esempio di questo tipo di tecnologia è il reattore integrato a film fisso per sequenziamento batch a biofilm con fanghi attivi e letto mobile (IFAS-MBSBBR), che è una modifica della tecnologia convenzionale dei reattori batch di sequenziamento. In questo reattore coesistono entrambe le forme di biomassa nello stesso serbatoio. I principali vantaggi di questa tecnologia sono l'eliminazione dell'accumulo di fanghi e la possibilità di ricevere un carico maggiore di contaminanti1.

Indipendentemente dalla soluzione tecnologica utilizzata, i microrganismi svolgono un ruolo chiave nel trattamento biologico delle acque reflue. La formazione della comunità microbica è influenzata da molti fattori, tra cui le condizioni operative e la composizione delle acque reflue in ingresso2. Un fattore importante che influenza l’efficienza della rimozione degli inquinanti e le prestazioni dell’intero processo è l’età dei fanghi. L'età dei fanghi, chiamata anche tempo di ritenzione dei solidi (SRT), è il tempo che la frazione solida (batteri) trascorre nel reattore. Ogni gruppo di batteri ha un tempo ottimale diverso per moltiplicarsi e un SRT troppo breve porta alla loro eliminazione dal sistema. Le esigenze dei diversi batteri in termini di tempo necessario per la moltiplicazione sono molto diverse: un SRT lungo favorisce lo sviluppo di batteri nitrificanti e filamentosi, mentre un SRT corto favorisce i batteri che accumulano fosforo e denitrifica3,4,5. Anche la forma in cui si sviluppa la biomassa ha un effetto sostanziale sulla struttura finale della comunità microbica. Le condizioni nel biofilm differiscono da quelle nei fanghi attivi: ad esempio, nel biofilm ci sono gradienti di concentrazione di ossigeno e sostanze nutritive e meno di queste sostanze raggiungono gli strati più profondi del biofilm. Pertanto, i fanghi attivi e il biofilm hanno meccanismi diversi di rimozione degli inquinanti6. Uno spessore ottimale del biofilm è fondamentale per le prestazioni dei processi di trattamento delle acque reflue. Se è troppo sottile non fornisce le condizioni anossiche per la proliferazione dei batteri denitrificanti; se è troppo spesso è sfavorevole ai batteri nitrificanti, poiché agisce come una barriera che limita l'accesso ai nutrienti7. La forma di una comunità microbica è determinata anche dal suo stadio di sviluppo. Sia nei fanghi attivi che nel biofilm, le proporzioni dei singoli gruppi di batteri cambieranno con il procedere del processo di maturazione.