Rimozione della materia organica in una nitrificazione simultanea

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 1882 (2022) Citare questo articolo

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Il trattamento delle acque reflue dei suini è una sfida complessa, a causa delle elevate concentrazioni di materia organica (OM) e azoto (N) che richiedono un processo efficiente. Questo studio si è concentrato sulla valutazione di due diversi mezzi di supporto per la rimozione di OM e N da un reattore Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) alimentato con acque reflue suine. Sono stati condotti test di attività massima specifica di nitrificazione (MSNA) e denitrificazione (MSDA) sia per il biofilm che per la biomassa sospesa utilizzando come supporti: schiuma di poliuretano (R1) e anelli di polietilene (R2). I risultati hanno mostrato che il sistema R2 era più efficiente di R1, raggiungendo la rimozione di OM del 77 ± 8% e N del 98 ± 4%, attribuita alla maggiore attività denitrificante specifica registrata (5,3 ± 0,34 g NO3-N/g TVS∙h). Inoltre, il 40 ± 5% dell'N iniziale nelle acque reflue potrebbe essere stato trasformato in azoto molecolare attraverso SND, di cui solo il 10 ± 1% è stato volatilizzato. In questo senso, i test MSDA hanno indicato che la biomassa sospesa è responsabile di almeno il 70% della rimozione di N e solo il 20% può essere attribuito al biofilm. La SND potrebbe essere confermata con l'analisi della diversità microbica, poiché la presenza del genere Pseudomonas dominava la comunità procariotica del sistema nel 54,4%.

L’azoto è un nutriente essenziale per la crescita biologica e uno dei principali costituenti di tutti gli organismi viventi. Tuttavia, la sua presenza eccessiva dovrebbe essere evitata per i seguenti motivi: (a) L'azoto in forme ridotte esercita una richiesta di ossigeno nel corpo idrico ricevente1, (b) L'ammoniaca e il nitrito sono tossici per i pesci in concentrazioni superiori a 0,045 e 0,20 mg/L, rispettivamente2, (c) Le acque reflue con elevate concentrazioni di azoto richiedono una grande quantità di cloro per la disinfezione3, e (d) Nitriti e nitrati in concentrazioni rispettivamente superiori a 0,2 e 1,5 mg/L, insieme al fosforo in concentrazioni superiori a 0,10 mg/ L può provocare l'eutrofizzazione dei laghi e dei corpi idrici, con conseguente crescita incontrollata di alghe e altre piante acquatiche4,5. L'azoto può presentarsi nelle acque reflue in diverse forme ionizzate: ammonio (NH4+) e ammoniaca (NH3+) che dipendono dalla concentrazione, dal pH e dalla temperatura6.

Attualmente sono state proposte diverse tecnologie per la rimozione dell'azoto dall'acqua. Queste tecnologie includono processi fisico-chimici come lo scambio ionico, l'adsorbimento, l'osmosi inversa e processi chimici come i metalli attivi e i metodi catalitici7,8,9,10. Tuttavia, queste tecnologie non sono mirate alla rimozione di alte concentrazioni di ammoniaca e altre specie di N, come Jonoush et al.11, che hanno riportato la rimozione di nitrati a basse concentrazioni (50 mg/L) utilizzando un catodo Ni-Fe non nobile. Sono state sviluppate varie tecnologie biologiche per la rimozione dell'azoto, ad esempio (i) sistema a reattore singolo per la rimozione di un'elevata quantità di ammonio rispetto ai nitriti, meglio noto come processo SHARON, che si basa sull'ossidazione dell'ammonio in nitriti del 50%, in condizioni di basso ossigeno (< 0,7 mg di O2/L); (ii) Ossidazione anaerobica dell'ammonio (ANAMMOX), dove l'ammonio funziona come donatore di elettroni e l'ossigeno nitrito come recettore di elettroni per ottenere azoto gassoso; e (iii) nitrificazione-denitrificazione simultanea (SND), che si ottiene formando microzone anossiche all'interno dei consorzi batterici presenti nel reattore aerobico. La coesistenza di zone aerobiche e anossiche porta all'autoassemblaggio di microrganismi nitrificanti autotrofi ed eterotrofi denitrificanti nella SND a causa della distribuzione OD. Pertanto, è molto importante eseguire il trattamento anaerobico delle acque reflue ad alto contenuto di carbonio per promuovere successivamente nel sistema aerobico una nitrificazione-denitrificazione e ridurre la competizione per il DO con i microrganismi eterotrofi. Un elevato rapporto C/N influente può anche influenzare negativamente l'abbondanza di batteri nitrificanti e l'efficacia del processo di nitrificazione, a causa della dominanza di eterotrofi. È stato riferito che il tasso di rimozione dell'azoto totale (TN) ha raggiunto il 77% con un rapporto C/N di 19,5 e un tasso dell'87% con un rapporto di 7,712. Pertanto, l'SND è diventata la tecnologia più promettente per la rimozione dell'ammonio e di altri composti azotati in concentrazioni superiori a 250 mg N/L, ma merita attenzione e sono ancora necessarie ulteriori ricerche13,14.

99%. In this sense, the systems evaluated in this study demonstrated much higher efficiency with respect to similar systems. As mentioned previously, this excellent performance could have been due to biofilm presence (18 ± 5 and 21 ± 3 g TVS/L for R1 and R2, respectively), which was measured at the end of the assays. Ødegaard et al.39 and Bassin et al.28 suggested that the quantity of adhered biomass to a support medium not onl1y depends on the superficial area but also its form or material configuration. These findings indicate that supports, as Mutag Biochip that has the form of a satellite dish, are frequently subjected to attrition forces due to the intense contact with the surrounding liquid, favoring biofilm detachment and the quantity of adhered solids. Whereas the types of support with cylindrical shape or rings favor biofilm accumulation./p> 0.05). Additionally, at the end of the assay, loss of nitrogen was evident in both systems, but it was not found in any of the determined soluble forms, approximately 60% and 65% for R1 and R2, respectively. Presumably, these non-quantified nitrogen percentages have been converted to molecular nitrogen by means of SND. Garzón-Zuñiga et al.13 explained that aeration systems with fixed biomass in support materials are capable of developing denitrifying processes starting from heterotroph bacteria that achieve growing in anoxic environments. On their part, Lo et al.35 studied nitrogen transformation in the form of ammonium to nitrogen, gas in a hybrid biofilm system. The results showed that approximately 60% of soluble nitrogen was converted to nitrogen gas by a SND process. On the other hand, some Pseudomonas species have been reported capable of reducing nitrogen compunds in denitrification process40. Zhang et al.25 isolated a Pseudomonas stutzeri YZN-001 from swine manure effluent and evaluated the reduction of all nitrogen species. For example, this strain had the capability to remove 275.08 mg/L of nitrate and 171.40 mg/L nitrite under aerobic conditions. Moreover, 39% of removed ammonium was completely oxidised to nitrogen gas, indicating that this strain could achieve heterotrophic nitrification and aerobic denitrification./p>