Study of biological nitrification kinetics under harsh environmental conditions

Abstract

Nitrification has been widely applied in wastewater treatment, however gaining more in-sight into the nitrifiers’ physiology and stress response is necessary for the optimization of nu-trients removal and design of advanced processes. The primary focus of our thesis can be di-vided into three main parts. In the first section of this thesis, the process of biological nitrification of the leachates produced by the local municipal solid waste landfill in Patras, Greece is studied. For this pur-pose, populations of nitrifying bacteria were isolated, and exposed to an environment of differ-ent concentrations of leachate. The experimental results showed an increase in the retarding action of the leachate, in nitrification, with an increase in its concentration in the feed. Finally, with the use of the Aquasim platform, an attempt is made to estimate the kinetic parameters that characterize the nitritification and nitratification reactions. Since nitrification initiates with ammonia oxidation performed by ammonia-oxidizing bacteria (AOB), in the second part, the purpose of study was to investigate the effects of short-term ammonia starvation on nitrogen uptake and transformation efficiency, as well as the per-formance of starved nitrifiers under various initial substrate concentrations and pH values. Ammonium deprivation for 3 days resulted in fast ammonium/ammonia accumulation upon nitrogen availability, with a maximum uptake rate of 3.87 mmol gprotein -1 min-1. Furthermore, a delay in the production of nitrate was observed with increasing starvation periods, resulting in slower recovery and lower nitrification rate compared to non-starved cells. The maximum ni-trogen accumulation capacity observed was 8.51% (w/w) independently of the external nitrogen concentration, at a range of 250–750 mg N L-1, while pH significantly affected ammonia oxi-dizers’ response, with alkaline values enhancing nitrogen uptake. In total, ammonia accumula-tion after short-term starvation might serve as an important strategy that helps AOB restore their activity, while concurrently it could be applied in wastewater treatment for effective ni-trogen removal and subsequent biomass utilization. In the last part of the present study, a comprehensive mathematical model was developed to describe the nitrification process in mixed cultures involving isolated NOB and starved AOB. The growth equation for NOB was divided into anabolism and catabolism, elucidating the key substrates driving their metabolic activities. Considering the ammonia starvation ef-fect, a single cell-based model was developed to capture the mass transfer phenomena across the AOB cell membrane. This addition allowed for a more accurate representation of the bio-logical dynamics during starvation conditions. The model’s accuracy was validated using ex-perimental data that was not used in the model calibration step. The prediction’s coefficient of determination (R2) was estimated at 0.9. By providing insights into the intricate mechanisms underlying nitrification, this model contributes to the advancement of sustainable wastewater treatment practices.

Η νιτροποίηση έχει εφαρμοστεί ευρέως στην επεξεργασία λυμάτων, ωστόσο η απόκτηση περισσότερης γνώσης σχετικά με τη φυσιολογία και την απόκριση του στρες των νιτροποιητών είναι απαραίτητη για τη βελτιστοποίηση της αφαίρεσης θρεπτικών συστατικών και το σχεδιασμό προηγμένων διεργασιών. Η κύρια εστίαση της διατριβής μας μπορεί να χωριστεί σε τρία κύρια μέρη.Στην πρώτη ενότητα της παρούσας διπλωματικής εργασίας, μελετάται η διαδικασία βιολογικής νιτροποίησης των στραγγισμάτων που παράγονται από την τοπική υγειονομική ταφή στερεών αποβλήτων στην Πάτρα. Για το σκοπό αυτό, απομονώθηκαν πληθυσμοί νιτροποιητικών βακτηρίων και εκτέθηκαν σε περιβάλλον διαφορετικών συγκεντρώσεων στραγγίσματος. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν αύξηση της επιβραδυντικής δράσης του στραγγίσματος, στη νιτροποίηση, με αύξηση της συγκέντρωσής του στην τροφοδοσία. Τέλος, με τη χρήση της πλατφόρμας Aquasim, επιχειρείται η εκτίμηση των κινητικών παραμέτρων που χαρακτηρίζουν τις αντιδράσεις νιτροποίησης και νιτροποίησης.Δεδομένου ότι η νιτροποίηση ξεκινά με την οξείδωση της αμμωνίας που εκτελείται από βακτήρια οξειδωτικής αμμωνίας (AOB), στο δεύτερο μέρος, ο σκοπός της μελέτης ήταν να διερευνήσει τις επιπτώσεις της βραχυπρόθεσμης ασιτίας αμμωνίας στην πρόσληψη αζώτου και στην απόδοση μετασχηματισμού, καθώς και στην απόδοση νιτροποιητών υπό διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις υποστρώματος και τιμές pH. Η στέρηση αμμωνίου για 3 ημέρες είχε ως αποτέλεσμα γρήγορη συσσώρευση αμμωνίου/αμμωνίας με τη διαθεσιμότητα αζώτου, με μέγιστο ρυθμό πρόσληψης 3,87 mmol gprotein -1 min-1. Επιπλέον, παρατηρήθηκε καθυστέρηση στην παραγωγή νιτρικών με την αύξηση των περιόδων λιμοκτονίας, με αποτέλεσμα βραδύτερη ανάκτηση και χαμηλότερο ρυθμό νιτροποίησης σε σύγκριση με κύτταρα που δεν λιμοκτονούν. Η μέγιστη ικανότητα συσσώρευσης αζώτου που παρατηρήθηκε ήταν 8,51% (w/w) ανεξάρτητα από την εξωτερική συγκέντρωση αζώτου, σε εύρος 250–750 mg N L-1, ενώ το pH επηρέασε σημαντικά την απόκριση των οξειδωτών αμμωνίας, με αλκαλικές τιμές ενίσχυση της πρόσληψης αζώτου. Συνολικά, η συσσώρευση αμμωνίας μετά από βραχυπρόθεσμη λιμοκτονία μπορεί να χρησιμεύσει ως μια σημαντική στρατηγική που βοηθά το AOB να αποκαταστήσει τη δραστηριότητά του, ενώ ταυτόχρονα θα μπορούσε να εφαρμοστεί στην επεξεργασία λυμάτων για αποτελεσματική αφαίρεση αζώτου και επακόλουθη χρήση βιομάζας.Στο τελευταίο μέρος της παρούσας μελέτης, αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο μαθηματικό μοντέλο για να περιγράψει τη διαδικασία νιτροποίησης σε μικτές καλλιέργειες που περιλαμβάνουν απομονωμένο NOB και λιμοκτονία AOB. Η εξίσωση ανάπτυξης για το NOB χωρίστηκε σε αναβολισμό και καταβολισμό, διευκρινίζοντας τα βασικά υποστρώματα που οδηγούν τις μεταβολικές τους δραστηριότητες. Λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο της πείνας από αμμωνία, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο με βάση τα κύτταρα για να καταγράψει τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης AOB. Αυτή η προσθήκη επέτρεψε μια πιο ακριβή αναπαράσταση της βιολογικής δυναμικής κατά τις συνθήκες λιμοκτονίας. Η ακρίβεια του μοντέλου επικυρώθηκε χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα που δεν χρησιμοποιήθηκαν στο βήμα βαθμονόμησης του μοντέλου. Ο συντελεστής προσδιορισμού της πρόβλεψης (R2) υπολογίστηκε σε 0,9. Παρέχοντας πληροφορίες σχετικά με τους περίπλοκους μηχανισμούς που διέπουν τη νιτροποίηση, αυτό το μοντέλο συμβάλλει στην προώθηση πρακτικών βιώσιμης επεξεργασίας λυμάτων.