DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-54805-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39609403
تاريخ النشر: 2024-11-28
المؤلف: Qi Zhao وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة مياه الصرف الصحي وإزالة النيتروجين
نظرة عامة
تدرس الدراسة تطبيق أكسدة الأمونيوم اللاهوائية (أناموكس) في معالجة مياه الصرف الصحي البلدية تحت ظروف موسمية باردة، مما يعالج حاجزًا كبيرًا لتنفيذها في المناطق غير الاستوائية. تم إنشاء محطة معالجة مياه الصرف الصحي على نطاق تجريبي (50 م³/يوم) في شمال الصين، مما أظهر كفاءات عالية في إزالة النيتروجين بنسبة 75.0 ± 4.6% عند درجات حرارة تتراوح بين 27.8-20.0 °م و70.4 ± 4.5% عند 10-7.5 °م. ومن الجدير بالذكر أن عملية الأناموكس أظهرت تحملًا لدرجات الحرارة المنخفضة، حيث حققت معدل أناموكس في الموقع قدره 32.7 ± 4.7 جرام-نيتروجين/(م³•يوم) في نطاق درجات الحرارة المنخفضة، مما ساهم بشكل كبير (39.7 ± 6.7%) في إزالة النيتروجين.
أشارت التحليلات الإضافية باستخدام تتبع النظائر المستقرة والاختبارات الحركية إلى أن نزع النترات الجزئي زود بفعالية النيتريت (NO₂⁻) لبكتيريا الأناموكس، مما عزز أدائها في درجات الحرارة الباردة. وجدت الدراسة أنه مع انخفاض درجات الحرارة من 27.8 °م إلى 7.5 °م، زادت الوفرة المطلقة والنسبية لبكتيريا الأناموكس بنسبة 429.1% و343.5% على التوالي. تسلط هذه النتائج الضوء على الإمكانية لتوسيع تطبيقات الأناموكس الرئيسية في المناخات الباردة، مما يعزز الاستدامة في قطاع معالجة مياه الصرف الصحي ويساهم في تحقيق أهداف التنمية المستدامة المتعلقة بالمياه والطاقة والصرف الصحي.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية إمكانيات نزع النترات الجزئي-أناموكس (PDA) كطريقة قابلة للتطبيق لتوسيع عمليات الأناموكس الرئيسية إلى المناطق غير الاستوائية، وخاصة في البيئات الباردة. الأناموكس، وهو عنصر حاسم في دورة النيتروجين، قد أظهر نجاحه في النظم البيئية ذات درجات الحرارة المنخفضة، مع زراعة ناجحة لبكتيريا أكسدة الأمونيوم اللاهوائية (AnAOB) في درجات حرارة منخفضة تصل إلى 5.0 °م. تبرز الدراسة الآليات التي تمكن AnAOB من التكيف مع هذه الظروف، بما في ذلك إنتاج بروتينات الصدمة الباردة وهياكل الأغشية الفريدة. تشير النتائج إلى أنه مع توفير مستقر للنيتريت ($NO_2^-$)، الذي يمكن توفيره بفعالية من خلال النترجة الجزئية (PN)، يمكن تنفيذ الأناموكس الرئيسي بنجاح في المناخات الباردة.
أظهرت محطة النطاق التجريبي التي تم تقييمها في هذه الدراسة تخفيضات كبيرة في متطلبات التهوية والكربون العضوي مقارنة بعمليات النترجة-نزع النترات التقليدية، حيث حققت كفاءة إزالة النيتروجين (NRE) تزيد عن 70% في درجات الحرارة المنخفضة. ومن الجدير بالذكر أن وفرة AnAOB زادت بشكل كبير في الأغشية الحيوية اللاهوائية خلال التبريد الموسمي، مما يشير إلى أن هياكل الأغشية الحيوية توفر بيئة ملائمة لنمو AnAOB. تؤكد الدراسة على أهمية الحفاظ على إمداد مستقر من $NO_2^-$ وظروف ارتباط فعالة لـ AnAOB، مشيرة إلى أن ديناميات التفاعل بين بكتيريا نزع النترات (DB) وAnAOB حاسمة لتحسين عمليات إزالة النيتروجين. بشكل عام، تقدم الأبحاث أدلة واعدة على جدوى PDA الرئيسية في المناطق غير الاستوائية، بينما تحدد أيضًا التحديات المتعلقة باستراتيجيات التشغيل وإدارة الكتلة الحيوية التي تحتاج إلى معالجة لتحسين الأداء.
الطرق
في هذه الدراسة، تم جمع عينات مياه الصرف الصحي مرتين يوميًا من محطة تجريبية وخضعت لسلسلة من الطرق التحليلية للتحليل الفوري. تم تصفية العينات باستخدام أوراق تصفية نوعية بحجم مسام 15-20 ميكرومتر، تلاها استخدام محلل تدفق الحقن Lachat Quik Chem 8500 لقياس تركيزات الأمونيوم ($NH_4^+$)، النيتريت ($NO_2^-$)، النترات ($NO_3^-$)، والفوسفات ($PO_4^{3-}$). بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام جهاز تحليل سريع Lian-hua 5B-1 لتقييم تركيز الطلب الكيميائي على الأكسجين القابل للذوبان (sCOD)، مع إعادة تصفية العينات من خلال مرشحات غشائية بحجم 0.45 ميكرومتر قبل الاختبار.
لتقييم المواد الصلبة المعلقة الكلية (TSS) والمواد الصلبة المعلقة المتطايرة (VSS) الموجودة في الفلوقات والأغشية الحيوية، تم استخدام محلل رطوبة ورماد تلقائي من سلسلة prepASH 340. ضمنت هذه الطرق قياسًا دقيقًا وموثوقًا للمعلمات الرئيسية لمياه الصرف الصحي، مما ساهم في فهم شامل لعمليات المعالجة في المحطة التجريبية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت تحليل التباين (ANOVA) أن مجموعات المعالجة أظهرت اختلافات واضحة في استجابتها، مما يدعم الفرضية بشكل أكبر.
علاوة على ذلك، توضح التمثيلات الرسومية، مثل المخططات النقطية والرسوم البيانية العمودية، الاتجاهات الملحوظة في البيانات، مما يعزز الاستنتاجات المستخلصة من التحليلات الكمية. تشمل النتائج أيضًا مناقشة حول الآثار المحتملة والقيود، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف الآليات الأساسية التي تحرك التأثيرات الملحوظة. بشكل عام، تساهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال وتقترح طرقًا للتحقيق المستقبلي.
المناقشة
أظهرت دراسة المحطة التجريبية إزالة فعالة للنيتروجين من مياه الصرف الصحي البلدية على مدى فترة 210 يومًا، على الرغم من التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة. عملت المحطة من خلال ثلاث مراحل متميزة: درجة حرارة عالية (27.8-20.0 °م)، تبريد موسمي (20.0-10.0 °م)، ودرجة حرارة منخفضة (10.0-7.5 °م). في المرحلة الأولى، حققت المحطة كفاءة إزالة الأمونيوم (ARE) بنسبة 99.4% وكفاءة إزالة النيتروجين الكلي غير العضوي (NRE) بنسبة 75.0%. ومن الجدير بالذكر أنه خلال المرحلة الثالثة، حتى في درجات الحرارة المنخفضة، زادت ARE إلى 99.9%، مما يدل على قدرات قوية لإزالة النيتروجين في ظل الظروف الباردة. تم عزو هذا الأداء إلى الزيادة الكبيرة في عدد بكتيريا الأناموكس (AnAOB)، وخاصة Candidatus Brocadia، التي أظهرت زيادات ملحوظة في كل من الوفرة المطلقة والنسبية في الأغشية الحيوية اللاهوائية مع انخفاض درجات الحرارة.
كما كشفت الدراسة أن مساهمة عملية الأناموكس في إزالة النيتروجين زادت من 11.7% في المرحلة الأولى إلى 39.7% في المرحلة الثالثة، مما يتماشى مع توسيع نطاق نشاط الأناموكس. زادت نسبة استخدام النيتروجين (NUR) للنيتريت بشكل كبير مع التبريد الموسمي، مما يشير إلى أن درجات الحرارة المنخفضة عززت توفر النيتريت للأناموكس. أشارت الاختبارات الحركية إلى أن عملية الأناموكس حافظت على معدل تفاعل مرتفع حتى في درجات الحرارة المنخفضة، مما يتحدى الفكرة القائلة بأن الظروف الباردة ضارة بالأناموكس. علاوة على ذلك، سلطت الديناميكية المتعاقبة لمجتمعات البكتيريا الضوء على قدرة AnAOB وبكتيريا نزع النترات (DB) على التكيف مع تغيرات درجات الحرارة، مع زيادة انتشار أنواع معينة تتحمل البرودة. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على الإمكانية لتحسين عمليات إزالة النيتروجين في أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي تحت ظروف درجات حرارة متغيرة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-54805-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39609403
Publication Date: 2024-11-28
Author(s): Qi Zhao et al.
Primary Topic: Wastewater Treatment and Nitrogen Removal
Overview
The study investigates the application of anaerobic ammonium oxidation (anammox) in municipal wastewater treatment under cold seasonal conditions, addressing a significant barrier for its implementation in non-tropical regions. A pilot-scale wastewater treatment plant (50 m³/d) was established in northern China, demonstrating high nitrogen removal efficiencies of 75.0 ± 4.6% at temperatures between 27.8-20.0 °C and 70.4 ± 4.5% at 10-7.5 °C. Notably, the anammox process exhibited a low-temperature tolerance, achieving an in-situ anammox rate of 32.7 ± 4.7 g-N/(m³•d) at the lower temperature range, contributing significantly (39.7 ± 6.7%) to nitrogen removal.
Further analysis using stable isotope tracing and kinetic tests indicated that partial denitrification effectively supplied nitrite (NO₂⁻) to anammox bacteria, enhancing their performance in cooler temperatures. The study found that as temperatures decreased from 27.8 °C to 7.5 °C, the absolute and relative abundances of anammox bacteria increased by 429.1% and 343.5%, respectively. These findings highlight the potential for extending mainstream anammox applications in colder climates, thereby advancing sustainability in the wastewater treatment sector and contributing to the achievement of Sustainable Development Goals related to water, energy, and sanitation.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the potential of Partial Denitrification-Anammox (PDA) as a viable method for extending mainstream anammox processes to non-tropical regions, particularly in cold environments. Anammox, a crucial component of the nitrogen cycle, has been shown to thrive in low-temperature ecosystems, with successful lab-scale cultivation of anaerobic ammonium-oxidizing bacteria (AnAOB) at temperatures as low as 5.0 °C. The study highlights the mechanisms that enable AnAOB to adapt to these conditions, including the production of cold shock proteins and unique membrane structures. The findings suggest that with a stable nitrite ($NO_2^-$) supply, which can be effectively provided by partial nitrification (PN), mainstream anammox can be successfully implemented in colder climates.
The pilot-scale plant evaluated in this study demonstrated significant reductions in aeration and organic carbon demands compared to traditional nitrification-denitrification processes, achieving a nitrogen removal efficiency (NRE) of over 70% at low temperatures. Notably, the AnAOB abundance increased substantially in anoxic biofilms during seasonal cooling, indicating that biofilm structures provide a favorable environment for AnAOB growth. The study emphasizes the importance of maintaining a stable $NO_2^-$ supply and effective attachment conditions for AnAOB, suggesting that the interaction dynamics between denitrifying bacteria (DB) and AnAOB are critical for optimizing nitrogen removal processes. Overall, the research presents promising evidence for the feasibility of mainstream PDA in non-tropical regions, while also identifying challenges related to operational strategies and biomass management that need to be addressed for improved performance.
Methods
In this study, wastewater samples were collected bi-daily from a pilot plant and subjected to a series of analytical methods for immediate analysis. The samples were filtered using qualitative filter papers with a pore size of 15-20 μm, followed by the use of a Lachat Quik Chem 8500 Flow Injection Analyzer to measure concentrations of ammonium ($NH_4^+$), nitrite ($NO_2^-$), nitrate ($NO_3^-$), and phosphate ($PO_4^{3-}$). Additionally, a Lian-hua 5B-1 quick-analysis apparatus was utilized to assess the concentration of soluble chemical oxygen demand (sCOD), with samples re-filtered through 0.45 µm membrane filters prior to testing.
To evaluate total suspended solids (TSS) and volatile suspended solids (VSS) present in the flocs and biofilms, a prepASH 340 series automatic moisture and ash analyzer was employed. These methods ensured accurate and reliable quantification of key wastewater parameters, contributing to a comprehensive understanding of the treatment processes in the pilot plant.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the analysis of variance (ANOVA) demonstrated that the treatment groups exhibited distinct differences in their responses, further supporting the hypothesis.
Furthermore, graphical representations, such as scatter plots and bar graphs, illustrate the trends observed in the data, reinforcing the conclusions drawn from the quantitative analyses. The results also include a discussion of potential implications and limitations, emphasizing the need for further research to explore the underlying mechanisms driving the observed effects. Overall, the findings contribute valuable insights to the field and suggest avenues for future investigation.
Discussion
The pilot plant study demonstrated effective nitrogen removal from municipal wastewater over a 210-day period, despite significant temperature fluctuations. The plant operated through three distinct phases: high temperature (27.8-20.0 °C), seasonal cooling (20.0-10.0 °C), and low temperature (10.0-7.5 °C). In phase I, the plant achieved an ammonium removal efficiency (ARE) of 99.4% and total inorganic nitrogen removal efficiency (NRE) of 75.0%. Notably, during phase III, even at low temperatures, the ARE increased to 99.9%, indicating robust nitrogen removal capabilities under colder conditions. This performance was attributed to the thriving population of anammox bacteria (AnAOB), particularly Candidatus Brocadia, which showed significant increases in both absolute and relative abundance in the anoxic biofilms as temperatures decreased.
The study also revealed that the anammox process’s contribution to nitrogen removal increased from 11.7% in phase I to 39.7% in phase III, correlating with an expanded operational footprint of anammox activity. The nitrogen utilization ratio (NUR) for nitrite increased significantly with seasonal cooling, suggesting that lower temperatures enhanced the availability of nitrite for anammox. Kinetic tests indicated that the anammox process maintained a high reaction rate even at lower temperatures, challenging the notion that cold conditions are detrimental to anammox. Furthermore, the dynamic succession of bacterial communities highlighted the adaptability of AnAOB and denitrifying bacteria (DB) to temperature changes, with specific cold-tolerant species becoming more prevalent. Overall, these findings underscore the potential for optimizing nitrogen removal processes in wastewater treatment systems under varying temperature conditions.