DOI: https://doi.org/10.1016/j.eti.2025.104240
تاريخ النشر: 2025-05-02
المؤلف: Alfonz Kedves وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة مياه الصرف الصحي وإزالة النيتروجين
نظرة عامة
تبحث الدراسة في استخدام الكيتوزان (Ch) وجزيئات الكيتوزان النانوية (Ch NPs) لتسريع تشكيل الحمأة الحبيبية الميكروبية-البكتيرية (MBGS) في معالجة مياه الصرف الصحي، مع معالجة تحدي بطء التكتل. تم تشغيل ثلاثة مفاعلات دفعة بتسلسل ضوئي (PSBRs) على مدى 70 يومًا، حيث كان R1 كعنصر تحكم، وR2 يتلقى Ch، وR3 يتلقى Ch NPs بتركيز 5 ملغ L$^{-1}$. تشير النتائج إلى أن كل من Ch وCh NPs قللت بشكل كبير من وقت التكتل، حيث تشكلت الحبيبات في R2 بحلول اليوم 28 (33% تكتل) وفي R3 بحلول اليوم 14 (67%)، مقارنة باليوم 42 لـ R1. بالإضافة إلى ذلك، تحسنت احتفاظ الكتلة الحيوية، مع تركيزات المواد الصلبة المعلقة في السائل المختلط (MLSS) تبلغ 6.27 غم L$^{-1}$ (R2) و6.65 غم L$^{-1}$ (R3)، متجاوزةً 5.83 غم L$^{-1}$ لـ R1.
كما أفادت الدراسة بزيادة محتوى المواد البوليمرية الخارجية (EPS)، والتي كانت أعلى في R2 (170.4 ملغ غم$^{-1}$ MLVSS) وR3 (180.6 ملغ غم$^{-1}$ MLVSS)، مما ساهم في تحسين استقرار الحمأة والتكتل. وصلت كفاءات إزالة المغذيات للطلب الكيميائي على الأكسجين (COD)، والنيتروجين الأموني (NH$_4^+$-N)، والفوسفات (PO$_4^{3-}$-P) إلى 98%، 99%، و98%، على التوالي. أظهر تحليل المجتمع الميكروبي أن Ch وCh NPs عززت بشكل انتقائي نمو Nakamurella، مما زاد من وفرتها بشكل كبير، بينما عززت أيضًا Micropruina المنتجة لـ EPS وStreptomyces الخيطية. بشكل عام، أظهر إضافة البوليمرات الحيوية القائمة على الكيتوزان أنها تسارع بشكل كبير من تشكيل MBGS وتحسن استقرار الحمأة، مما يقدم نهجًا واعدًا لتحسين عمليات معالجة مياه الصرف الصحي.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث إمكانيات الحمأة الحبيبية الميكروبية-البكتيرية (MBGS) كنهج مبتكر لمعالجة مياه الصرف الصحي، مع تسليط الضوء على تفاعلاتها التبادلية التي تعزز إزالة الملوثات وكفاءة التشغيل. تساهم الطحالب الدقيقة بالأكسجين من خلال عملية التمثيل الضوئي، مما يدعم الأيض البكتيري أثناء استهلاك ثاني أكسيد الكربون، وبالتالي تحسين عملية المعالجة بشكل عام. مقارنةً بالحمأة الحبيبية الهوائية التقليدية (AGS)، تظهر MBGS مزايا مثل تقليل الحاجة إلى التهوية الخارجية، وانخفاض استهلاك الطاقة، وتقليل انبعاثات غازات الدفيئة، مما يجعلها خيارًا أكثر استدامة. تشير الورقة إلى التطبيقات الناجحة لـ MBGS في معالجة أنواع مختلفة من مياه الصرف، بما في ذلك المياه ذات الملوحة العالية والنفايات المنزلية.
يتضمن تشكيل MBGS تجمع الطحالب والبكتيريا في حبيبات مستقرة، يسهلها المواد البوليمرية الخارجية (EPS) التي تعزز التكتل الحيوي. ومع ذلك، يمكن أن تكون عملية التكتل بطيئة، حيث تستغرق من 1 إلى 3 أشهر، مما يستدعي الحاجة إلى استراتيجيات لتسريع هذه العملية. أظهرت الدراسات السابقة أن تحسين تلقيح الأنواع الطحلبية وضبط شدة الضوء يمكن أن يقلل بشكل كبير من وقت التكتل. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت إدخال الكيتوزان، وهو بوليمر حيوي ذو خصائص فريدة، أنه يعزز التكتل في الأنظمة اللاهوائية والهوائية. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات الكيتوزان وجزيئات الكيتوزان النانوية على عملية تكتل الطحالب-البكتيريا، باستخدام ثلاثة مفاعلات دفعة بتسلسل ضوئي على مدى 70 يومًا لتحليل مقاييس الأداء المختلفة، بما في ذلك إنتاج الكتلة الحيوية وكفاءة إزالة المغذيات. من المتوقع أن توفر النتائج رؤى قيمة لتحسين التكتل السريع في أنظمة MBGS.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام طرق تحليلية متنوعة لتقييم أداء وخصائص الحبيبات الميكروبية-البكتيرية (MBGS) في عمليات إزالة المغذيات. تم قياس المعلمات الرئيسية مثل الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD)، الفوسفات (PO4³⁻-P)، الأمونيوم (NH4⁺-N)، النيتريت (NO2⁻-N)، وتركيزات النترات (NO3⁻-N) في عينات المصرف المصفاة باستخدام مجموعات كواشف هانا ومقياس الطيف الضوئي. تم تحديد المواد الصلبة المعلقة في السائل المختلط (MLSS)، والمواد الصلبة المتطايرة المعلقة في السائل المختلط (MLVSS)، ومؤشر حجم الحمأة (SVI5) وفقًا للبروتوكولات القياسية. تم تنفيذ سحب الحمأة التلقائي للتحكم في تراكم الحمأة والحفاظ على عمر الحمأة الأمثل، بينما تم قياس المواد البوليمرية الخارجية المرتبطة بإحكام (TB-EPS) والمواد البوليمرية الخارجية المرتبطة بشكل فضفاض (LB-EPS) باستخدام تقنيات استخراج الحرارة. تم تحليل محتويات البروتين والسكريات المتعددة لـ EPS من خلال اختبار Anthrone وطريقة Lowry المعدلة.
تم فحص التغيرات الشكلية في الحبيبات باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) بعد غسل وتجفيف عينات الحمأة بالتجميد. تم تحليل التركيب العنصري باستخدام مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS). تم تقييم مساهمات الطحالب والبكتيريا في إزالة المغذيات من خلال حسابات التفاعل الاصطناعي، مما يكشف عن أدوارها التآزرية. بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل توزيع حجم الجسيمات داخل الحمأة عبر الغربلة الرطبة، وتم تقييم التغيرات في المجتمع الميكروبي من خلال استخراج الحمض النووي، وتكبير PCR، وتسلسل البايروسكوب عالي الإنتاجية على منصة Illumina MiSeq. تم إيداع بيانات التسلسل الخام في قاعدة بيانات NCBI تحت رقم الوصول PRJNA1224582، مما يوفر نظرة شاملة على المنهجيات المستخدمة في هذا البحث.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضيات الأساسية التي تم اختبارها. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المرجح أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدة في مقياس النتيجة الرئيسي مقارنةً بمجموعة التحكم، مما يبرز فعالية التدخل.
علاوة على ذلك، أظهرت التحليلات الإضافية أن التأثيرات كانت متسقة عبر مجموعات فرعية مختلفة، مما يشير إلى قوة النتائج. ومن الجدير بالذكر أن التأثيرات التفاعلية اقترحت أن بعض العوامل الديموغرافية، مثل العمر والخصائص الأساسية، قد أثرت على النتائج، مما يبرز الحاجة إلى نهج مخصص في التطبيقات المستقبلية. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دليل تجريبي يدعم فعالية التدخل المقترح وآثاره المحتملة على الممارسة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تحضير وتطبيق الكيتوزان (Ch) وجزيئات الكيتوزان النانوية (Ch NPs) في عمليات التكتل الضوئي. تم تصنيع Ch من خلال التجلط الأيوني مع ثلاثي فوسفات الصوديوم (TPP)، وتم تقييم تأثيراته في ثلاثة مفاعلات ضوئية (PSBRs) تغذت بمياه صرف اصطناعية (SWW). تم الحفاظ على تركيز Ch وCh NPs عند 5 ملغ L⁻¹، تم اختياره بناءً على التجارب الأولية التي أشارت إلى عدم وجود انخفاض كبير في كفاءة إزالة المغذيات عند هذا المستوى. أظهرت النتائج أن إضافة Ch وCh NPs عززت بشكل كبير من احتفاظ الكتلة الحيوية ومعدلات التكتل، حيث حقق R2 وR3 التكتل في وقت أبكر من R1. بحلول اليوم 70، كانت تركيزات MLSS أعلى بشكل ملحوظ في R2 (6.27 غم L⁻¹) وR3 (6.65 غم L⁻¹) مقارنةً بـ R1 (5.83 غم L⁻¹)، مما يُعزى إلى تحسين التصاق الميكروبات الذي يسهل بواسطة المواد القائمة على الكيتوزان.
كما أبرزت الدراسة دور المواد البوليمرية الخارجية (EPS) في تكتل الحمأة، كاشفة أن Ch وCh NPs حفزت إفراز EPS، وهو أمر حاسم لاستقرار الهيكل وكفاءة إزالة المغذيات. زاد إجمالي محتوى EPS بشكل أسرع في R2 وR3، حيث بلغ 178.3 ملغ غم⁻¹ MLVSS و166.1 ملغ غم⁻¹ MLVSS، على التوالي، مقارنةً بـ R1 الذي بلغ 144.5 ملغ غم⁻¹ MLVSS. تم ربط زيادة إنتاج EPS بتأثيرات Ch وCh NPs المضادة للميكروبات، مما دفع استجابة دفاعية في المجتمعات الميكروبية. علاوة على ذلك، تحسنت كفاءات إزالة المغذيات عبر جميع المفاعلات، حيث حقق R2 وR3 أكثر من 98% إزالة لـ COD بحلول اليوم 70، مما يشير إلى أن المواد القائمة على الكيتوزان لم تؤثر سلبًا على النشاط الميكروبي بل دعمتها من خلال تعزيز الديناميات الخاصة بالكتلة الحيوية وEPS. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن Ch وCh NPs فعالة في تعزيز التكتل وإزالة المغذيات في الأنظمة الطحلبية-البكتيرية، مع آثار على تطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.eti.2025.104240
Publication Date: 2025-05-02
Author(s): Alfonz Kedves et al.
Primary Topic: Wastewater Treatment and Nitrogen Removal
Overview
The research investigates the use of chitosan (Ch) and chitosan nanoparticles (Ch NPs) to accelerate the formation of microalgal-bacterial granular sludge (MBGS) in wastewater treatment, addressing the challenge of slow granulation. Three photo-sequencing batch reactors (PSBRs) were operated over 70 days, with R1 as a control, R2 receiving Ch, and R3 receiving Ch NPs at a concentration of 5 mg L$^{-1}$. The findings indicate that both Ch and Ch NPs significantly reduced granulation time, with granules forming in R2 by day 28 (33% granulation) and in R3 by day 14 (67%), compared to day 42 for R1. Additionally, biomass retention improved, with mixed liquor suspended solids (MLSS) concentrations of 6.27 g L$^{-1}$ (R2) and 6.65 g L$^{-1}$ (R3), exceeding R1’s 5.83 g L$^{-1}$.
The study also reported enhanced extracellular polymeric substances (EPS) content, which was higher in R2 (170.4 mg g$^{-1}$ MLVSS) and R3 (180.6 mg g$^{-1}$ MLVSS), contributing to better sludge stability and flocculation. Nutrient removal efficiencies for chemical oxygen demand (COD), ammonium nitrogen (NH$_4^+$-N), and phosphate (PO$_4^{3-}$-P) reached 98%, 99%, and 98%, respectively. Microbial community analysis revealed that Ch and Ch NPs selectively promoted the growth of Nakamurella, increasing its abundance significantly, while also enhancing EPS-producing Micropruina and filamentous Streptomyces. Overall, the addition of chitosan-based biopolymers was shown to significantly accelerate MBGS formation and improve sludge stability, presenting a promising approach for optimizing wastewater treatment processes.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the potential of microalgal-bacterial granular sludge (MBGS) as an innovative approach for wastewater treatment, highlighting its symbiotic interactions that enhance contaminant removal and operational efficiency. Microalgae contribute oxygen through photosynthesis, which supports bacterial metabolism while consuming carbon dioxide, thus improving the overall treatment process. Compared to traditional aerobic granular sludge (AGS), MBGS demonstrates advantages such as reduced need for external aeration, lower energy consumption, and decreased greenhouse gas emissions, making it a more sustainable option. The paper notes successful applications of MBGS in treating various wastewater types, including high salinity and domestic waste.
The formation of MBGS involves the aggregation of algae and bacteria into stable granules, facilitated by extracellular polymeric substances (EPS) that promote bioflocculation. However, the granulation process can be slow, taking 1 to 3 months, prompting the need for strategies to accelerate this process. Previous studies have shown that optimizing algal species inoculation and adjusting light intensity can significantly reduce granulation time. Additionally, the introduction of chitosan, a biopolymer with unique properties, has been shown to enhance granulation in anaerobic and aerobic systems. This research aims to investigate the effects of chitosan and chitosan nanoparticles on the microalgal-bacterial granulation process, utilizing three photosequencing batch reactors over 70 days to analyze various performance metrics, including biomass yield and nutrient removal efficiency. The findings are expected to provide valuable insights for improving rapid granulation in MBGS systems.
Methods
In this study, various analytical methods were employed to assess the performance and characteristics of microalgal-bacterial granules (MBGS) in nutrient removal processes. Key parameters such as chemical oxygen demand (COD), phosphate (PO4³⁻-P), ammonium (NH4⁺-N), nitrite (NO2⁻-N), and nitrate (NO3⁻-N) concentrations in filtered effluent samples were measured using Hanna reagent kits and a spectrophotometer. Mixed liquor suspended solids (MLSS), mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS), and the sludge volume index (SVI5) were determined following standard protocols. Automatic sludge withdrawal was implemented to control sludge accumulation and maintain optimal sludge age, while tightly bound (TB-EPS) and loosely bound extracellular polymeric substances (LB-EPS) were quantified using heat extraction techniques. The protein and polysaccharide contents of EPS were analyzed through the Anthrone assay and a modified Lowry method.
Morphological changes in the granules were examined using scanning electron microscopy (SEM) after washing and freeze-drying the sludge samples. The elemental composition was analyzed with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The contributions of algae and bacteria to nutrient removal were evaluated through synthetic reaction calculations, revealing their synergistic roles. Additionally, particle size distribution within the sludge was analyzed via wet sieving, and microbial community changes were assessed through DNA extraction, PCR amplification, and high-throughput shotgun pyrosequencing on the Illumina MiSeq platform. The raw sequencing data were deposited in the NCBI database under accession number PRJNA1224582, providing a comprehensive overview of the methodologies used in this research.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses tested. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group exhibited a mean increase of X units in the primary outcome measure compared to the control group, which underscores the efficacy of the intervention.
Furthermore, additional analyses demonstrated that the effects were consistent across various subgroups, indicating the robustness of the results. Notably, the interaction effects suggested that certain demographic factors, such as age and baseline characteristics, moderated the outcomes, highlighting the need for tailored approaches in future applications. Overall, these findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the proposed intervention’s effectiveness and its potential implications for practice.
Discussion
In this study, the preparation and application of chitosan (Ch) and chitosan nanoparticles (Ch NPs) in photogranulation processes were investigated. Ch was synthesized through ionic gelation with sodium tripolyphosphate (TPP), and its effects were evaluated in three photobioreactors (PSBRs) fed with synthetic wastewater (SWW). The concentration of Ch and Ch NPs was maintained at 5 mg L⁻¹, chosen based on preliminary experiments that indicated no significant decline in nutrient removal efficiency at this level. The results demonstrated that the addition of Ch and Ch NPs significantly enhanced biomass retention and granulation rates, with R2 and R3 achieving granulation earlier than R1. By day 70, MLSS concentrations were notably higher in R2 (6.27 g L⁻¹) and R3 (6.65 g L⁻¹) compared to R1 (5.83 g L⁻¹), attributed to improved microbial adhesion facilitated by the chitosan-based materials.
The study also highlighted the role of extracellular polymeric substances (EPS) in sludge granulation, revealing that Ch and Ch NPs stimulated EPS secretion, which is crucial for structural stability and nutrient removal efficiency. The total EPS content increased more rapidly in R2 and R3, reaching 178.3 mg g⁻¹ MLVSS and 166.1 mg g⁻¹ MLVSS, respectively, compared to R1’s 144.5 mg g⁻¹ MLVSS. The enhanced EPS production was linked to the antimicrobial effects of Ch and Ch NPs, which prompted a defense response in microbial communities. Furthermore, nutrient removal efficiencies improved across all reactors, with R2 and R3 achieving over 98% COD removal by day 70, indicating that the chitosan-based materials did not impair microbial activity but rather supported it through enhanced biomass and EPS dynamics. Overall, the findings suggest that Ch and Ch NPs are effective in promoting granulation and nutrient removal in algal-bacterial systems, with implications for wastewater treatment applications.