Olga A. Ruzhitskaya, Elena S. Gogina

Advanced Materials Research • 2014

The paper presents the results of research studies to determine the degree of influence of reinforced material on the purification process wastewater from phosphates and organic contaminants. The paper presents the results of mathematical description of the laws of the biological purification. Obtained activation coefficient. Shows the effect of reinforced material for phosphate removal from wastewater. Shows the effect of reinforced material on sludge dose and sludge index.

Christos S. Akratos, Athanasia G. Tekerlekopoulou, Dimitrios V. Vayenas

Water • 2021

Food processing consumes high volumes of water, making agro-industries the third biggest industrial user of water after oil refineries, primary metals and chemicals industries [...]

Damodhar Ghime, Prabir Ghosh

Biological Treatment of Industrial Wastewater • 2021

The treatment of industrial effluent is significant for the protection of both ecology and human health. Various technologies have been developed for the treatment of industrial effluent. Among these technologies, the biological treatment process is one of them. Despite their longer operating times, biological therapies are cost-effective compared to other treatment methods. Thus, special attention should be given to the design of different advanced bioreactors, the shortcomings of those bioprocesses, and their performance characteristics. Advanced bioreactors include models such as the sequencing batch biofilm reactor, stirred tank bioreactor to packed bed, moving bed, fluidized, semi-fluidized and inverse fluidized bed, sludge bed and downflow fixed bed/film bioreactors. Sometimes, membrane-based technology can also be used with these designs. This chapter discusses the different systems of advanced bioreactors, mainly sequencing batch, aerobic and anaerobic stirred tank, fixed and fluidized bed reactors. The discussion has also been extended to the use of the membrane technology with bioreactor designs and all possible integrated approaches for improving the process efficiency.

Robert Mitzakov

• 2021

Zinc, nickel and propylene glycol methyl ether were simultaneously removed from simulated wastewater in a column containing a counter-current packed bed and an electrochemical cell. Rectangular porous aluminum foam cathode and porous stainless steel anode were used in a plate-in-tank configuration. During combined biological and electrochemical treatment the wastewater flux was 0.00183 and 0.00915 m³.m̈².s̈¹ at a constant volumetric air flux of 0.0518 m³.m̈².s̈¹. Over a 72 hour treatment period the BOD5 was reduced by 32% and 55% for each volumetric liquid flux, respectively; zinc was reduced by 98% for both fluxes, and nickel was reduced by 95% and 82%, respectively. For sole electrochemical treatment of 48 hours, laminar and turbulent flow conditions were studied. Operating in the laminar flow region of 0.00183 and 0.00915 m³.m̈².s̈¹; zinc was reduced by 95% for both fluxes; nickel was reduced by 80% and 60%, respectively. For the turbulent region in the electrochemical cell, the volumetric liquid fluxes were 0.0137, 0.0229, 0.0321 and 0.0366 m³.m̈².s̈¹. Per cent reduction of both zinc and nickel in this region was less than that encountered in laminar flow. For all the fluxes in the turbulent region zinc was reduced by 82%; nickel was reduced by 55% at a flux of 0.0137 m³.m̈².s̈¹ and 60% at a flux of 0.0366 m³.m̈².s̈¹. Increasing electrode surface area as a means of improving heavy metal reduction by using rectangular porous material in a plate-in-tank configuration is not a viable option at higher volumetric liquid fluxes.

Ambreen Ashar, Sadia Noor, Zeeshan Ahmad Bhutta

Biological Treatment of Industrial Wastewater • 2021

In recent years, the application of the process of heterogeneous photocatalytic water purification has gained great attention due to its effectiveness for degradation and mineralization of recalcitrant organic compounds as well as the possibility of utilizing the solar UV and visible-light spectrum. Heterogeneous photocatalysis, supported by semiconductors and solar energy, is considered a promising process to solve the global crisis of energy supply and to alleviate environmental pollution. In recent years, numerous semiconducting materials have been investigated to explore their photocatalytic potentials. This era of scientific revolution demands the fabrication of efficient nanomaterials with the utmost capability of resolving environmental issues to offset increasingly damaging anthropogenic effects. These nanomaterials basically have non-xenobiotic attributes and they are fabricated following particular zero-waste and green methods. Advanced oxidation processes using metal oxide-based materials have played a vital role in the complete mineralization of recalcitrant pollutants from industrial wastewater.

, Pischa Wanaratna

• 2002

In the last few years, biodegradable dissolved organic carbon (BDOC) methods have been studied and used for characterizing the quality of secondary treated wastewater from activated sludge (AS) process. However, BDOC removal efficiency through AS process treating actual wastewater has not been investigated. Furthermore, BDOC has never been applied to processes other than AS. In this study, two bench-scale AS and trickling filter (TF) processes and a full-scale rotating biological contactor (RBC) process experiments were conducted using actual primary wastewater to determine the effect of SRT and HLR on BDOC in the effluents. For the bench scale experiments, BDOC removal at different SRTs and HLRs was also determined. Effluent BDOCs were lower at higher SRTs and lower HLRs for the AS and TF processes, respectively. An excellent relationship between BDOC removal and SRT was obtained from the AS experiment. Secondary wastewater effluent from the full-scale RBC contained relatively high BDOC (2.8 and 1.5 times of BDOC in the effluents of AS and TF, respectively) of which 30 to 80% was biodegradable during the BDOC test. BDOC correlated well with dissolved organic carbon (DOC) and soluble biochemical oxygen demand at 5 days (SBOD5). However, a poor relationship was observed between BDOC and ultraviolet absorbance at 254 nm (UV254) of RBC effluent. SBOD5 and BDOC were analyzed simultaneously to compare the precision between the two methods. Results show that the BDOC method is substantially more precise than the SBOD5 method

Komal Agrawal, Maulin P. Shah, Pradeep Verma

Biological Treatment of Industrial Wastewater • 2021

Bioreactors are designed spaces where biological reactions take place and have gained interest amongst biological researchers for their ability to effectively remove pollutants from various wastewaters. In addition to the biological aspect, engineering or designing aspects are also associated with bioreactors and this has been a topic of discussion among bioengineers due to the challenges associated with their operation. The advancement of technology and the ever-increasing application of bioreactors has amplified research associated with the design and operation of bioreactors. This in turn has opened the door to extending the application of bioreactors to various areas which were previously unknown. A bioreactor is an engineered space that provides a suitable/optimal biological environment for all the required reactions to occur adequately. Thus, the present chapter discusses types and modelling of bioreactors, and scale-up and scale-down of bioreactor applications. Limitations in the commercialization of bioreactors are also addressed. Lastly, future aspects are elaborated in detail considering the recent trends and the present scenario.

Alexander Aivasidis

Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry • 2011

Abstract The article contains sections titled: 1. Introduction 2. Basic Principles 3. Thermodynamics 4. Kinetics 5. Mass and Heat Transfer 6. Reactor Design 7. Biomass Retention/Recycling 7.1. The Anaerobic Contact Process 7.2. Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reactors 7.3. Fixed‐Bed Reactors (Anaerobic Filters) 7.4. Fluidized‐Bed Reactors 7.5. Fixed‐Bed Loop Reactors 7.6. Engineering Considerations 8. Control

Yinghui Yang

• 2021

In order to meet the more stringent environmental regulations, the adaptive and optimal control strategies should be investigated for the biological nitrogen removal (BNR) processes in wastewater treatment plants. Because of the complex nature of the microbial metabolism involved, the conventional mechanistic models for nitrogen removal are difficult to formulate and the existing ones are still uncertain to some extent. Alternatively, the machine learning methods have been investigated as black-box modelling techniques. A new approach, Support Vector Machine (SVM) was proposed to be used to model the biological nitrogen removal processes in this thesis. Specifically, LS-SVM, a simplified formulation of SVM, was applied to predict the concentration of nitrate & nitrite (NO). The simulation results indicate that the proposed method has better generalization performance in comparison with generalized regression neural network, especially under weather conditions that are quite different from the training weather conditions.

H. Fr. Schröder

Water Practice and Technology • 2006

A conventional biological wastewater treatment plant (BWWTP) and a membrane bio-reactor (MBR) were operated to treat municipal wastewater. The endocrine disrupting compounds (EDCs), 4-nonylphenol (4-NP) and bisphenol A (BPA; 2,2-bis-(4-hydroxyphenyl)-propane), were spiked into the feed. Additionally, the effluents were treated with ozone (O3). The elimination efficiencies of both treatment techniques and the advanced effluent treatment applying ozone were balanced over a three-week testing period by monitoring 4-NP and BPA concentrations in the feed, all effluents and excess sewage sludge. Reduction of Chemical Oxygen Demand (COD) was observed with 95 ± 2%. Substance specific analyses were performed by gas chromatography, coupled with mass spectrometry (GC-MS). Aqueous samples and sludge extracts after pressurised liquid extraction (PLE) were examined after derivatization using acetic anhydride. The spiking levels into the feed were adjusted to reach concentrations of 51.2 ± 10.1 µg/L (4-NP) and 50.7 ± 8.2 µg/L (BPA), while the effluent samples were fortified prior to ozone treatment by adding 48 µg/L or 49 µg/L of 4-NP and BPA. The elimination achieved without applying ozone were > 98 or 97.8 % for 4-NP and BPA in MBR treatment and > 98 and 91.6 % under conventional treatment. Balances proved biodegradation as the superior elimination mechanism for 4-NP and BPA in both treatment processes

Omar M. Waheeb, Mohanad Mahmood Salman, Rand Qusay Kadhim

Wastewater Treatment • 2022

Daura refinery, with a capacity of 140,000 barrel per stream day as a refining capacity, wastewater discharged from refining and treatment processing units, polluted water as foul water, drainages, oil spills, blowdown of boilers and cooling towers, and many other polluted water sources, aims to remove pollutants and reject clean water to the river; wastewater treatment system takes place in this treatment process. Wastewater treatment system suffers from many problems and specifically biological stage; at this stage, activated sludge with bacteria, should be supplied with oxygen, aeration system done by surface aerators with four surface fans; these fans suffer from high vibration, loss support, and in consequence, lack in oxygen supply to aerobic bacteria less than 4 ppm. The nonporous aerator is suggested as an oxygen source for the biological pool. The pilot plant builds the aim to study the ability to apply the new aeration system at the biological pool, pilot plant build with 1 cubic meter capacity tank and continuous overflow of wastewater of 10 liters.min−1, air injected with the pressure of (0.5–0.75) bar(g), and airflow of (7.6–9.7) liter.min−1 respectively. Oxygen concentration was recorded as (3.4–6.0) ppm; in terms of consumption power, changing the aeration system reduces it to less than 20%.

Δημήτρης Ανδρεαδάκης

• 2022

1. Εισαγωγή: Η αποτελεσματική επεξεργασία των αστικών λυμάτων πριν την διάθεσή τους στους υδάτινους αποδέκτες αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την διασφάλιση της καλής ποιότητας των υδάτων. Η βιολογική επεξεργασία στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) στοχεύει πρωτίστως στην απομάκρυνση του βιοαποδομήσιμου οργανικού φορτίου των λυμάτων, του οποίου η διάθεση μπορεί να προκαλέσει προβλήματα αποξυγόνωσης στον αποδέκτη, αλλά και στην απομάκρυνση θρεπτικών (αζώτου και φωσφόρου), των οποίων η ανεξέλεγκτη διάθεση μπορεί να οδηγήσει σε φαινόμενα ευτροφισμού. Η βιολογική απομάκρυνση του αζώτου επιτυγχάνεται κατά κανόνα μέσω των διεργασιών νιτροποίησης και απονιτροποίησης. Κατά την νιτροποίηση, μια κατηγορία αυτοτροφικών μικροοργανισμών, γνωστή ως AOB (Ammonium Oxidizing Bacteria), οξειδώνει αρχικά το αμμωνιακό άζωτο, το οποίο αποτελεί την σημαντικότερη μορφή αζώτου στα ανεπεξέργαστα λύματα, προς νιτρώδες άζωτο (νιτρωδοποίηση). Στη συνέχεια, μια δεύτερη κατηγορία αυτότροφων βακτηρίων, γνωστή ως NOB (Nitrite Oxidizing Bacteria), οξειδώνει το παραγόμενο νιτρώδες άζωτο προς νιτρικό άζωτο (νιτρικοποίηση). Οι δύο αυτές επιμέρους διεργασίες συνθέτουν την διαδικασία της νιτροποίησης, η οποία απαιτεί την παροχή οξυγόνου. Στην συνέχεια, απουσία οξυγόνου, ετεροτροφικοί-οργανοτροφικοί μικροοργανισμοί αξιοποιούν τα νιτρικά ως αποδέκτη ηλεκτρονίων για την οξείδωση και απομάκρυνση του οργανικού φορτίου, με την παράλληλη αναγωγή και απομάκρυνση του αζώτου (απονιτροποίηση).Η βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου επιτυγχάνεται με την επιλογή μιας συγκεκριμένης κατηγορίας μικροοργανισμών, τα οποία είναι γνωστά ως πολυφωσφορικά βακτήρια (Polyphosphate Accumulating Organisms – PAOs). Όπως υποδηλώνει η ονομασία τους, τα πολυφωσφορικά βακτήρια συνθέτουν υψηλές ποσότητες ενδοκυτταρικά αποθηκευμένων πολυφωσφορικών αλυσίδων, τις οποίες υδρολύουν κάτω από αναερόβιες συνθήκες για την παραγωγή ενέργειας. Η ενέργεια αυτή αξιοποιείται για την συντήρηση των κυττάρων, αλλά και για την δέσμευση διαλυτών οργανικών ενώσεων από τα λύματα και την αποθήκευσή τους ενδοκυτταρικά ως πολυμερή. Στην συνέχεια, παρουσία αποδέκτη ηλεκτρονίων, τα πολυφωσφορικά διασπούν τα αποθηκευμένα μακρομόρια και χρησιμοποιούν την παραγόμενη ενέργεια για κυτταρική σύνθεση και την αναπλήρωση των πολυφωσφορικών τους αλυσίδων, απομακρύνοντας παράλληλα φώσφορο από τα λύματα. Έτσι, με την διάταξη μιας αναερόβιας δεξαμενής ανάντη των βιολογικών δεξαμενών, δίνεται προτεραιότητα στη δέσμευση του διαλυτού οργανικού άνθρακα από τα PAOs, με αποτέλεσμα τον εμπλουτισμό της ιλύος με αυτά. Η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου επιτυγχάνεται τελικά με την απομάκρυνση της περίσσειας εμπλουτισμένης ιλύος. Η τελική διάθεση της περίσσειας ιλύος προϋποθέτει μια σειρά από επιμέρους επεξεργασίες με στόχο την σταθεροποίησή της και την μείωση του υδάτινου περιεχόμενού της. Κατά τα έργα της ιλύος, παράγονται στραγγίδια τα οποία χαρακτηρίζονται από υψηλές συγκεντρώσεις αζώτου και φωσφόρου, καθώς επίσης και από έναν σχετικά χαμηλό λόγο άνθρακα προς άζωτο (C:N). Τυπικά, αυτά τα ρεύματα ανακυκλοφορούνται στην κύρια ροή επεξεργασίας, αυξάνοντας την φόρτιση της βιολογικής βαθμίδας. Τα τελευταία χρόνια, η χωριστή επεξεργασία αυτών των ρευμάτων πριν την ανακυκλοφορία τους μελετάται ευρέως ως μία πολύ υποσχόμενη πρακτική. Λόγω της υψηλής συγκέντρωσης αμμωνιακού αζώτου που χαρακτηρίζει τα στραγγίδια αφυδάτωσης (ως αποτέλεσμα της αναερόβιας χώνευσης) καθώς και του υψηλού pH), τα στραγγίδια περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις ελεύθερης αμμωνίας (Free Ammonia – FA), η οποία είναι γνωστή για την αναχαιτιστική της επίδραση σε μια σειρά από μικροβιακές δραστηριότητες. Ανάμεσα στους μικροοργανισμούς που αναχαιτίζονται από την ελεύθερη αμμωνία είναι και οι υπεύθυνοι για την διεργασία της νιτροποίησης. Ωστόσο, η ελεύθερη αμμωνία αναχαιτίζει τα NOB σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό από τα AOB, καθιστώντας εφικτή την παράκαμψη της νιτρικοποίησης. Υπό ανοξικές συνθήκες, τα νιτρώδη μπορούν να αναχθούν με την ίδια ευκολία από τους ετεροτροφικούς μικροοργανισμούς και μάλιστα με μικρότερη κατανάλωση οργανικού άνθρακα. Παράλληλα, με την ακύρωση του δεύτερου σταδίου της νιτροποίησης, η ζήτηση οξυγόνου μειώνεται σημαντικά (περίπου κατά 25%), μειώνοντας την απαίτηση σε αερισμό και κατά προέκταση το κόστος της επεξεργασίας.Παρόλο που η απονιτρωδοποίηση απαιτεί λιγότερο οργανικό άνθρακα συγκριτικά με την πλήρη απονιτροποίηση (περίπου κατά 40%), ο χαμηλός λόγος C:N που χαρακτηρίζει τα στραγγίδια, καθώς και η χαμηλή περιεκτικότητά τους σε εύκολα βιοδιασπάσιμο οργανικό άνθρακα, καθιστά απαραίτητη την προσθήκη μιας εξωτερικής πηγής διαλυτού οργανικού άνθρακα. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με την απαίτηση για απομάκρυνση της σημαντικής ποσότητας φωσφόρου των στραγγιδίων, καθιστούν την εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου παράλληλα με την απομάκρυνση του αζώτου μέσω νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης ως θεμιτή επιλογή, καθώς άζωτο και φώσφορος μπορούν να απομακρυνθούν χρησιμοποιώντας την ίδια πηγή οργανικού άνθρακα. Ωστόσο, οι συνθήκες που χαρακτηρίζουν τα συστήματα νιτρωδοποίησης /απονιτρωδοποίησης, ενδέχεται να μην επιτρέπουν την βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου, καθώς υπάρχουν αναφορές ότι τα νιτρώδη αναχαιτίζουν τις δραστηριότητες των πολυφωσφορικών βακτηρίων. Συγκεκριμένα, το ελεύθερο νιτρώδες οξύ (Free Nitrous Acid – FNA), το οποίο αποτελεί την πρωτονιωμένη μορφή του νιτρώδους αζώτου, η παρουσία του οποίου ευνοείται σε χαμηλά pH, αναχαιτίζει σε σημαντικό βαθμό τις λειτουργίες των PAOs (Zhou et al., 2007). Ο αναφερόμενος βαθμός στον οποίο αναχαιτίζονται τα PAOs ποικίλει στην βιβλιογραφία και μπορεί να διαφέρει ως προς τον εγκλιματισμό στο FNA καθώς και την οδό που επηρεάζεται (αερόβια/ανοξική). Σε όλες τις περιπτώσεις, η συσσώρευση νιτρωδών που αναμένετται με βάση τις συγκεντρώσεις των αμμωνιακών που απαιτούνται για την αναχαίτιση των NOB, πιθανότατα θα αναστέλλουν σοβαρά τη δραστηριότητα των PAOs και ενδέχεται να απαγορεύουν την εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε αυτές τις συνθήκες. Επιπροσθέτως, υπάρχουν πρόσφατες αναφορές ότι το FA επίσης αναχαιτίζει τα PAOs (Yang et al., 2018), αν και η σχετική έρευνα είναι πολύ περιορισμένη μέχρι στιγμής. Ενώ το FA ευνοείται σε υψηλό pH, το ποσοστό των νιτρωδών στην μορφή του FNA αυξάνεται αντίθετα με το pH. Κατά τη νιτρωδοποίηση, η μετατροπή του αμμωνιακού αζώτου σε νιτρώδες άζωτο συνοδεύεται με μια βιοχημική πτώση του pH, αυξάνοντας έτσι σημαντικά την συγκέντρωση του FNA κατά την διάρκεια της διαδικασίας. Οι συνθήκες για τα PAOs βελτιώνονται κατά την απονιτρωδοποίηση καθώς απομακρύνονται νιτρώδη, ενώ υπάρχει βιοχημική αύξηση του pH. Ωστόσο, η συνδυασμένη επίδραση του FA και του FNA στα PAOs κατά την διάρκεια της αερόβιας φάσης μπορεί να μην επιτρέπει τη βιωσιμότητά τους σε ένα τέτοιο σύστημα. Η κατάσταση για τα PAOs γίνεται ακόμη πιο ζοφερή αν αναλογιστεί κανείς τον ανταγωνισμό τους με μια άλλη ανταγωνιστική μικροβιακή κοινότητα, γνωστή ως GAOs (Glycogen Accumulating Organisms). Ομοίως με τα PAOs, τα GAOs μπορούν να προσλαμβάνουν διαλυτό άνθρακα υπό αναερόβιες συνθήκες χωρίς να συμβάλλουν στην απομάκρυνση του φωσφόρου, καθώς η απαιτούμενη ενέργεια στην περίπτωσή τους παρέχεται μέσω της γλυκόλυσης. Επομένως, σε συνθήκες υψηλών συσσωρεύσεων αμμωνιακού και νιτρώδους αζώτου, η επίδραση των FNA και FA στα GAOs είναι επίσης σημαντική, καθώς μια υψηλότερη ανοχή σε αυτές τις ουσίες θα είχε ως αποτέλεσμα την πιθανή επικράτησή τους έναντι των PAOs και την αποτυχία του βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου.Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, είναι σαφές ότι η επιτυχής εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης, για την αποτελεσματική επεξεργασία στραγγιδίων, αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις. Η φόρτιση αζώτου και το pH είναι παράμετροι ιδιαίτερης σημασίας, με τις συγκεντρώσεις των FNA και FA να επηρεάζουν όχι μόνο την επιθυμητή αναχαίτιση των NOB, αλλά και τον ανταγωνισμό μεταξύ των PAOs και GAOs κατά τις διεργασίες νιτρωδοποίησης και απονιτρωδοποίησης σε διαφορετικό βαθμό, με ενδεχόμενες αρνητικές συνέπειες στην απόδοση. ή ακόμη και την βιωσιμότητα της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε αυτές τις συνθήκες. 2. Ερευνητικοί στόχοιΜε βάση την ανάλυση της διεθνούς βιβλιογραφίας και τα ερευνητικά κενά που επισημάνθηκαν σε αυτήν καθορίσθηκε το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής το οποίο είναι η διερεύνηση της δυνατότητας επίτευξης βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων με χαμηλό λόγο άνθρακα προς άζωτο μέσω νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης. Προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος αυτός κρίθηκε σκόπιμο να απαντηθούν μία σειρά από ερευνητικά ερωτήματα μέσω των ακόλουθων διερευνήσεων: a) διερεύνηση της αναχαιτιστικής δράσης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των πολυφωσφορικών βακτηρίων σε αερόβιες και ανοξικές συνθήκες καθώς και η ανάπτυξη των σχετικών μαθηματικών μοντέλων αναχαίτισης, b) πειραματική και μαθηματική προσομοίωση της συνδυασμένης επίδρασης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στη δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων, c) διερεύνηση της αναχαιτιστικής δράσης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου καθώς και η ανάπτυξη των σχετικών μαθηματικών μοντέλων αναχαίτισης, d) διερεύνηση της επίδρασης του είδους του οργανικού υποστρώματος στον ανταγωνισμό των πολυφωσφορικών βακτηριών και των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης, e) ανάπτυξη στρατηγικών βελτιστοποίησης της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – αποιτρωδοποίησης. 3. Διερεύνηση της επίδρασης των νιτρωδών και της ελεύθερης αμμωνίας στην αερόβια και ανοξική δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίωνΗ διερεύνηση της επίδρασης των νιτρωδών στην ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες πραγματοποιήθηκε μέσω πειραμάτων batch σε εγκλιματισμένη και μη-εγκλιματισμένη βιομάζα η οποία καλλιεργήθηκε σε εργαστηριακό αντιδραστήρα SBR. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι με τη μείωση του pH του ανάμικτου υγρού αυξάνεται η αναχαίτιση της διαδικασίας για τις ίδιες συγκεντρώσεις νιτρωδών (Σχήμα 1). Κατά συνέπεια και λαμβάνοντας υπόψη τη χημεία του συστήματος των νιτρωδών διαπιστώνεται ότι η βασική αναχαιτιστική ουσία είναι το ελεύθερο νιτρώδες οξύ (FNA). Όπως φαίνεται αναλυτικά στο Σχήμα 2, μία συγκέντρωση ελεύθερου νιτρώδους οξέος της τάξης των 1,5 μg Ν/L οδηγεί σε 50% αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωφόρου σε αερόβιες συνθήκες, ενώ πλήρης αναχαίτιση καταγράφεται για συγκεντρώσεις ελεύθερου νιτρώδους οξέος της τάξης των 13 μg Ν/L. Σύμφωνα με αποτελέσματα στοχευμένων εργαστηριακών πειραμάτων προέκυψε ότι η αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες λόγω του ελεύθερου νιτρώδους οξέος περιγράφεται ικανοποιητικά από ένα non-competitive μοντέλο, η βέλτιστη μαθηματική περιγραφή του οποίου επιτυγχάνεται από το απλό non-competitive μοντέλο αναχαίτισης της σχέσης 1. PUR=PUR_max K_iFNA/(S_FNA+K_iFNA ) (1)όπου KiFNA είναι η σταθερά αναχαίτισης η οποία αντιστοιχεί στη συγκέντρωση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος για την οποία καταγράφεται 50% αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες, SFNA είναι η συγκέντρωση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος στον αντιδραστήρα και PURmax είναι η μέγιστη ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε συνθήκες απουσίας αναχαιτιστικού παράγονται. Σε αντιστοιχία με τα ανωτέρω διερευνήθηκε επίσης η αναχαιτιστική δράση των νιτρωδών στην ανοξική δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων και ειδικότερα στην ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε ανοξικές συνθήκες. Η διερεύνηση πραγματοποιήθηκε μέσω πειραμάτων batch σε βιομάζα που καλλιεργήθηκε σε αντιδραστήρα SBR. Τα αποτελέσματα των σχετικών πειραμάτων καταδεικνύουν ότι όπως και στην περίπτωση των αερόβιων συνθηκών, έτσι και στις ανοξικές συνθήκες η αναχαιτιστική ουσία είναι το ελεύθερο νιτρώδες οξύ παρά τα νιτρώδη (Σχήματα 3-4). Βάσει των αποτελεσμάτων, χαμηλές συγκεντρώσεις ελεύθερου νιτρώδους οξέος της τάξης των 1,5 μg Ν/L μπορεί αν οδηγήσουν σε αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωσφόρου σε ανοξικές συνθήκες κατά 50%, γεγονός που υποδηλώνει ότι η ανοχή των πολυφωσφορικών μικροοργανισμών στην παρουσία του ελεύθερου νιτρώδους οξέος τόσο σε αερόβιες όσο και σε ανοξικές συνθήκες είναι παρόμοια. Τέλος επιβεβαιώθηκε ότι ο μηχανισμός αναχαίτισης ακολουθεί το non-competitive μοντέλο και στην περίπτωση των ανοξικών συνθηκών. Η διερεύνηση της επίδρασης του αμμωνιακού αζώτου στην ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες πραγματοποιήθηκε μέσω πειραμάτων batch σε εγκλιματισμένη και μη-εγκλιματισμένη βιομάζα η οποία καλλιεργήθηκε σε εργαστηριακό αντιδραστήρα SBR. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι με την αύξηση του pH του ανάμικτου υγρού αυξάνεται η αναχαίτιση της διαδικασίας για τις ίδιες συγκεντρώσεις αμμωνιακού αζώτου (Σχήμα 5), γεγονός που υποδηλώνει με σαφήνεια ότι η βασική αναχαιτιστική ουσία της διεργασίας είναι η ελεύθερη αμμωνία. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6 μία συγκέντρωση ελεύθερης αμμωνίας της τάξης των 8 mg Ν/L οδηγεί σε 50% αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωφόρου σε αερόβιες συνθήκες, ενώ πλήρης αναχαίτιση αναμένεται για συγκεντρώσεις ελεύθερης αμμωνίας της τάξης των 40 mg Ν/L. Περαιτέρω, από αποτελέσματα στοχευμένων πειραμάτων εύρεσης του μοντέλου αναχαίτισης διαπιστώθηκε ότι η επίδραση της ελεύθερης αμμωνίας στον αερόβιο ρυθμό πρόσληψης φωσφόρου περιγράφεται από ένα un-competitive μοντέλο αναχαίτισης, η βέλτιστη μαθηματική προσομοίωση του οποίου δίνεται από τη σχέση 2.PUR=PUR_max S/(S∙(1+S_FA/K_iFA )+K_S ) (2)όπου KiFA είναι η σταθερά αναχαίτισης, SFA είναι η συγκέντρωση της ελεύθερης αμμωνίας στον αντιδραστήρα, S είναι η συγκέντρωση των φωσφορικών στον αντιδραστήρα, KS είναι ο συντελεστής ημι-κορεσμού για τα φωσφορικά και PURmax είναι ο μέγιστος ρυθμός πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες απουσία αναχαιτιστικού παράγοντα.Αντίστοιχα πειράματα εργαστηριακής κλίμακας πραγματοποιήθηκαν για να εκτιμηθεί η επίδραση της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των πολυφωσφορικών βακτηρίων σε ανοξικές συνθήκες. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα η επίδραση της ελεύθερης αμμωνίας στην ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε ανοξικές συνθήκες είναι αντίστοιχη αυτής σε αερόβιες συνθήκες. Ειδικότερα, συγκεντρώσεις ελεύθερης αμμωνίας μεγαλύτερες από 30 mg Ν/L μπορούν να οδηγήσουν σε πλήρη αναχαίτιση της διαδικασίας (Σχήμα 8). Τέλος διαπιστώθηκε ότι ο μηχανισμός αναχαίτισης των δράσης των πολυφωσφορικών βακτηρίων σε ανοξικές συνθήκες ακολουθεί ένα un-competitive μοντέλο αναχαίτισης, η βέλτιστη περιγραφή του οποίου δίνεται από το απλό μοντέλο αναχαίτισης της Levenspiel που περιγράφεται από τη σχέση 3:PUR=PUR_max (1-S_FA/(S_FA*) )^n (3)όπου SFA* είναι η συγκέντρωση της ελεύθερης αμμωνίας στον αντιδραστήρα για την οποία αναχαιτίζεται πλήρως η διεργασίας και n είναι μία εμπειρική σταθερά. Με βάση τα αποτελέσματα όλων των ανωτέρω διερευνήσεων διαπιστώθηκε ότι δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων τόσο σε αερόβιες όσο και σε ανοξικές συνθήκες δύναται να επηρεασθεί σε πολύ σημαντικό βαθμό από την παρουσία ελεύθερου νιτρώδους οξέος και ελεύθερης αμμωνίας και συνεπώς η τιμή του pH μπορεί να καθορίσει τη δυνατότητα επίτευξης βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης-απονιτρωδοποίησης. Σε χαμηλές τιμές του pH ευνοείται η παρουσία του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και του αμμωνιακού αζώτου, ενώ σε αυξημένες τιμές του pH ευνοούνται υψηλότερες συγκεντρώσεις νιτρωδών και ελεύθερης αμμωνίας. Με βάση τα επιμέρους μοντέλα αναχαίτισης κατασκευάσθηκε το Σχήμα 9 στο οποίο αποτυπώνεται ο βαθμός αναχαίτισης ανάλογα με την παρουσία έκαστης αναχαιτιστικής ουσίας. Για παράδειγμα για μία συγκέντρωση αζώτου της τάξης των 200 mg Ν/L σε συνθήκες ισορροπίας και βέλτιστης τιμής του pΗ, η βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου αναμένεται να αναχαιτισθεί κατά 50% λόγω παρουσίας ελεύθερου νιτρώδους οξέος και 50% λόγω της παρουσίας της ελεύθερης αμμωνίας. Η μελέτης της συνδυαστικής επίδρασης των δύο ουσιών μελετήθηκε σε επόμενη ενότητα. Ωστόσο, με βάση τα αποτελέσματα αυτά διαπιστώνεται ότι η επίτευξη βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης αποτελεί ένα μάλλον δύσκολο εγχείρημα. 4. Προσομοίωση της συνδυασμένης επίδρασης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στη δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίωνΠροκειμένου να μελετηθεί η επίδραση της ταυτόχρονης παρουσίας ελεύθερου νιτρώδους οξέος και ελεύθερης αμμωνίας στην δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων πραγματοποιήθηκε μία σειρά πειραμάτων εργαστηριακής κλίμακας για μία σειρά συνδυασμών συγκεντρώσεων νιτρωδών (μεταξύ 25-120 mg/L) και αμμωνιακού αζώτου (μεταξύ 110-700 mg/L) σε τιμές pH στο εύρος του 7,3-8,2. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 10 τα πειραματικά αποτελέσματα βρίσκονται σε πολύ ικανοποιητική συμφωνία με τα αποτελέσματα της εφαρμογής της σχέσης 4, η οποία προκύπτει με συνδυασμό των μαθηματικών μοντέλων αναχαίτισης που προέκυψαν για την κάθε ουσία χωριστά.Inh_(FNA&FA)=1-(1-Inh_FNA )×(1-Inh_FA ) (4) Στο πλαίσιο της προσομοίωσης του φαινομένου της συνδυαστικής αναχαίτισης των πολυφωσφορικών βακτηρίων από την ελεύθερη αμμωνία και το ελεύθερο νιτρώδες οξύ αναπτύχθηκαν δύο μαθηματικά μοντέλα βασιζόμενα σε ενζυμική ανάλυση τα οποία αποτυπώνονται στις σχέσεις 5-6.PUR=(PUR_max [S])/(K_s (1+[S_FNA ]/K_iFNA )+[S](1+[S_FNA ]/K_iFNA +[S_FA ]/K_FA ) ) (5)PUR=PUR_max×K_iFNA/(S_FNA+K_iFNA )×S/(S(1+S_FA/K_iFA )+Ks) (6). Η βασική διαφοροποίηση των δύο μοντέλων αφορά στην ικανότητα ή μη ενός non-competitive αναχαιτιστικού παράγοντα (ελεύθερο νιτρώδες οξύ) να προσδεθεί στο σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος στο οποίο έχει ήδη προσδεθεί ένας un-competitive αναχαιτιστικός παράγοντας (ελεύθερη αμμωνία) και αντίστροφα. Από τη σύγκριση των δύο μοντέλων έναντι των μετρημένων τιμών προέκυψε ότι το τροποποιημένο ενζυμικό κινητικό μοντέλο της σχέσης 6 μπορεί να περιγράψει πολύ ικανοποιητικά το φαινόμενο της συνδυαστικής αναχαίτισης της δράσης των πολυφωσφορικών βακτηρίων από το ελεύθερο νιτρώδες οξύ και την ελεύθερη αμμωνία (Σχήμα 11). Το τροποποιημένο ενζυμικό μοντέλο (Σχέση 6) μπορεί να αξιοποιηθεί για να προβλέψει την συνολική αναχαίτιση του βαθμού πρόσληψης φωσφόρου για μια σειρά συνθηκών (συγκεντρώσεις αμμωνιακού και νιτρώδους αζώτου, θερμοκρασία και pH), αλλά και για τον προσδιορισμό του βέλτιστου (για τα πολυφωσφορικά) pH ανάλογα με τον καταμερισμό του αζώτου σε αμμωνιακά και νιτρώδη. Με βάση αυτό, το μοντέλο δύναται να προσδιορίσει την βέλτιστη ρύθμιση του pH κατά τις διεργασίες νιτρωδοποίησης και απονιτρωδοποίησης, που οδηγεί στην ελάχιστη συνολική αναχαίτιση. Το σχήμα 12 παρουσιάζει τα αποτελέσματα μιας προσομοίωσης αυτών των διεργασιών για διάφορες συγκεντρώσεις αζώτου. Όπως φαίνεται, η αποτελεσματική ρύθμιση του pH δύναται να δημιουργήσει ένα πλατό στην συνολική αναχαίτιση των πολυφωσφορικών. 5. Διερεύνηση της επίδρασης των νιτρωδών και της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνουΠροκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση των νιτρωδών και της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου που αποτελούν και τους σημαντικότερους ανταγωνιστές των πολυφωσφορικών βακτηρίων, λειτούργησε αντιδραστήρας SBR στον οποίο αναπτύχθηκε βιομάζα η οποία αποτελούταν κατά 90% από Competibacter spp. Στη συνέχεια, η βιομάζα αυτή χρησιμοποιήθηκε σε πειράματα batch μέτρησης της μέγιστης ειδικής ταχύτητας ανάπτυξης των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου για διαφορετικές συγκεντρώσεις νιτρωδών και διαφορετικά pH. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων (Σχήματα 13-14) διαπιστώθηκε ότι το ελεύθερο νιτρώδες οξύ είναι ο κύριος αναχαιτιστικός παράγοντας. Επιπλέον προέκυψε ότι τα βακτήρια συσσώρευσης γλυκογόνου είναι πιο ανθεκτικά στην παρουσία του ελεύθερου νιτρώδους οξέος από τα πολυφωσφορικά βακτήρια σε pH κοντά στο 7 ενώ η ανθεκτικότητά τους μειώνεται σε υψηλότερες τιμές του pH. Από την αξιολόγηση εναλλακτικών μοντέλων αναχαίτισης, η βέλτιστη περιγραφή του φαινομένου αναχαίτισης της ταχύτητας ανάπτυξης των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου συναρτήσει της συγκέντρωσης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και του pH δίνεται από την σχέση 7. μ=μ_max K_iFNA^(10,142∙e^(-0,203∙pH) )/(S_FNA^(10,142∙e^(-0,203∙pH) )+K_iFNA^(10,142∙e^(-0,203∙pH) ) ) (7) Τέλος τα αποτελέσματα των πειραμάτων διερεύνησης της επίδρασης της ελεύθερης αμμωνίας στην ταχύτητα ανάπτυξης των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου κατέδειξαν ότι οι μικροοργανισμοί αυτοί είναι πολύ ανθεκτικοί στην παρουσία της ελεύθερης αμμωνίας ακόμα και σε συγκεντρώσεις της τάξης των 16 mg Ν/L οι οποίες προκαλούν αναχαίτιση μεγαλύτερη από 50% της δραστηριότητας των πολυφωσφορικών βακτηρίων. 6. Μελέτη της επίδρασης του είδους του οργανικού υποστρώματος στον ανταγωνισμό των πολυφωσφορικών βακτηριών και των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης. Στο πλαίσιο της διερεύνησης της επίδρασης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος στον ανταγωνισμό των PAOs και GAOs, αναπτύχθηκαν 3 διαφορετικές καλλιέργειες για την διερεύνηση της επίδρασης του οργανικού υποστρώματος σε συνθήκες συσσώρευσης νιτρώδους αζώτου. Σε κάθε αντιδραστήρα επικρατούσαν παρόμοιες συνθήκες νιτρωδοποίησης και απονιτρωδοποίησης με το ελεύθερο νιτρώδες οξύ να συσσωρεύεται έως 0,5 μg N/L κατά την αερόβια φάση (με μια μέση τιμή των 0,35 μg N/L, που έχει βρεθεί να αναχαιτίζει τα PAOs κατά περίπου 15%). Τα οργανικά υποστρώματα που εξετάστηκαν ήταν: α) οξικό οξύ, β) μίγμα οξικού και προπιονικού οξέος (50%-50%), και γ) τακτική εναλλαγή ανάμεσα σε προπιονικό και οξικό οξύ. Η ικανότητα της βιομάζας να απομακρύνει φώσφορο παρακολουθούταν τακτικά κατά την διάρκεια της λειτουργίας και τα προφίλ του ρυθμού απομάκρυνσης με την πάροδο του χρόνου παρουσιάζονται στο Σχήμα 15. Όπως είναι εμφανές, η χρήση οξικού οξέος και του μίγματος οξικού-προπιονικού δεν ωφέλησαν τα PAOs, των οποίων η δραστηριότητα τερματίστηκε μέσα σε μόλις 30-40 μέρες από την εκκίνηση της καλλιέργειας. Η τακτική εναλλαγή μεταξύ οξικού και προπιονικού οξέος από την άλλη επέτρεψε την παρουσία τους για αρκετά μεγαλύτερο διάστημα, καθώς περιόρισε την επικράτηση των GAOs. Ωστόσο, η απομάκρυνση φωσφόρου ήταν αρκετά ασταθής, ενώ με κάθε εναλλαγή τροφής η ανάκαμψη του ρυθμού δέσμευσης ήταν ολοένα και μικρότερη.6. Ανάπτυξη στρατηγικών βελτιστοποίησης της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – αποιτρωδοποίησης. Ενώ η αποτελεσματική ρύθμιση του pH μπορεί να διευκολύνει την δραστηριότητα των PAOs, η βιωσιμότητά τους σε συνθήκες αναχαίτισης απαιτεί στρατηγικές για την επικράτησή τους απέναντι στις ανταγωνιστικές ομάδες των GAOs. Μια στρατηγική που εφαρμόστηκε και αποδείχθηκε ιδιαίτερα αποτελεσματική ήταν η προαγωγή της ανάπτυξής τους μέσω απονιτρωδοποίησης με υπόστρωμα το προπιονικό οξύ. Η μέθοδος στηρίζεται στην αδυναμία των GAOs να αξιοποιήσουν τα νιτρώδη ως αποδέκτη ηλεκτρονίων όταν το προπιονικό οξύ αποτελεί την μοναδική πηγή άνθρακα. Έτσι, δίνοντας προτεραιότητα νιτρωδοποίησης στα PAOs απέναντι στους κοινούς ετερότροφους, κάτι που επιτυγχάνεται με την μη-προσθήκη οργανικής τροφής κατά την ανοξική φάση, διασφαλίζεται για αυτούς ένας αποκλειστικός χρόνος ανάπτυξης. Η εφαρμογή αυτής της στρατηγικής σε έναν αντιδραστήρα που λειτούργησε με φόρτιση αμμωνιακού αζώτου ίση με 0,1 kg N/m3 d, είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη μιας σημαντικά εμπλουτισμένης βιομάζας σε PAOs (σε ποσοστό 50% επί των συνολικών μικροοργανισμών), ενώ η παρουσία των GAOs ήταν αμελητέα. Η βιομάζα ανέδειξε σταθερούς και σημαντικά υψηλούς ρυθμούς απομάκρυνσης φωσφόρου, τόσο σε αερόβιες όσο και σε ανοξικές συνθήκες. Ο μέσος μέγιστος αερόβιος ρυθμός απομάκρυνσης φωσφόρου ήταν 25 mg P/gVSS h, ενώ ο αντίστοιχος ανοξικός ρυθμός ήταν 10 mg P/gVSS h (Σχήμα 16), οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η ανοξική απομάκρυνση φωσφόρου πραγματοποιείται στο 40% της ταχύτητας της αντίστοιχης αερόβιας απομάκρυνσης. Η λειτουργία του αντιδραστήρα σε υψηλότερη φόρτιση αμμωνιακού αζώτου (0,15 kg N/m3 d), είχε ως αποτέλεσμα την μείωση της απόδοσης της βιομάζας κατά περίπου 50%, λόγω της συσσώρευσης υψηλότερων συγκεντρώσεων FNA που έφταναν 1 μg N/L. Η πτώση αυτή οφείλεται τόσο στον μικρότερο πληθυσμό των πολυφωσφορικών, λόγω αναχαίτισης της ανάπτυξής τους, όσο και στην άμεση αναχαίτιση της λειτουργίας τους. Σε μετέπειτα φάση, εξετάστηκε η βιωσιμότητά τους σε συνθήκες πολύ υψηλών συγκεντρώσεων FNA (που έφταναν τα 8 μg N/L), μέσω της ρύθμισης pH σε χαμηλή τιμή. Σε αυτές τις συνθήκες, η βιολογική απομάκρυνση αστόχησε, ωστόσο οι πληθυσμοί των GAOs στην βιομάζα παρέμεναν πρακτικά ανύπαρκτοι.Στο πλαίσιο της βελτιστοποίησης, πραγματοποιήθηκε μια σειρά μαθηματικών προσομοιώσεων προκειμένου να αξιολογηθεί η συνδυασμένη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου και νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης σε συστήματα υψηλής φόρτισης αζώτου. Η θεωρητική διάταξη που εξετάστηκε βελτιστοποιήθηκε όσον αφορά: i) την εναλλαγή των αερόβιων και ανοξικών συνθηκών, ώστε να αποτραπεί η συσσώρευση νιτρωδών και να διατηρηθεί το pH σε σχετικά υψηλές τιμές, ii) την παροχή ενός αποκλειστικού χρόνου απονιτρωδοποίησης στα PAOs, μετά την απομάκρυνση μιας σημαντικής ποσότητας νιτρωδών από τους κοινούς ετερότροφους, μέσω μιας δοσολογημένης προσθήκης οργανικού άνθρακα, στο πλαίσιο της στρατηγικής καταστολής των GAOs και iii) την ποιότητα των επεξεργασμένων λυμάτων. Η βιωσιμότητα της βιολογικής απομάκρυνσης αξιολογήθηκε για φορτίσεις αμμωνιακού αζώτου από 0,1 έως 0,3 kg N/m3 d, έχοντας υπόψη: α) τη συνολική αναχαίτιση των PAOs υπό τις συνθήκες κάθε σεναρίου, τόσο ως προς τη διατήρηση του πληθυσμού τους όσο και ως προς την απόδοσή τους, β) την επάρκεια της στρατηγικής καταστολής των GAOs σε κάθε σενάριο, γ) την αναγκαιότητα για ρύθμιση του pH για την ελαχιστοποίηση της αναχαίτισης των PAOs και δ) την αποτελεσματική καταστολή των NOB. Με βάση τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και την αξιολόγησή τους, συμπεραίνεται ότι μια φόρτιση αζώτου της τάξεως των 0,2 kg N/m3 d θα μπορούσε να επιτρέψει επαρκή και σχετικά ασφαλή απομάκρυνση φωσφόρου χωρίς την ανάγκη για ρύθμιση του pH. Η λειτουργία σε υψηλότερες φορτίσεις ενδεχομένως να επέτρεπε επαρκή απομάκρυνση φωσφόρου, αν και πιθανότατα θα απαιτούσε κάποια ρύθμιση του pH που είναι δαπανηρή, ενώ είναι αβέβαιο αν θα εξασφαλιζόταν η επικράτηση των PAOs έναντι των GAOs. Συμπερασματικά, η επίτευξη βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε φορτίσεις αζώτου άνω των 0,3 kg N/m3 d φαίνεται εξαιρετικά απίθανη, καθώς οι συνθήκες αναχαίτισης από μόνες τους θα έβαζαν σε σοβαρό κίνδυνο τη βιωσιμότητα των πολυφωσφορικών βακτηρίων. 7. Συμπεράσματα: Τα κύρια συμπεράσματα της παρούσας διατριβής μπορούν να συνοψισθούν ως εξής: a) Το ελεύθερο νιτρώδες οξύ αναχαιτίζει σημαντικά την δραστηριότητα των πολυφωσφορικών βακτηρίων τόσο σε αερόβιες όσο και σε ανοξικές συνθήκες, με τον ρυθμό απομάκρυνσης φωσφόρου να αναχαιτίζεται κατά 50% σε συγκέντρωση 1,5 μg HNO2-N/L (10 mg NO2-N/L σε pH=7, 50 mg NO2-N/L σε pH=8, στους 20oC) και κατά 100% σε συγκεντρώσεις της τάξης των 13 μg HNO2-N/L (100 mg NO2-N/L σε pH=7, 500 mg NO2-N/L σε pH=8, στους 20oC). Ο μηχανισμός αναχαίτισης περιγράφεται βέλτιστα ως non-competitive για KiFNA=1,5 μg N/L και είναι ανεξάρτητος του αποδέκτη ηλεκτρονίων. b) Η ελεύθερη αμμωνία αποδείχθηκε ότι επίσης αποτελεί σημαντική αναχαιτιστική ουσία για τα PAOs σε αερόβιες και ανοξικές συνθήκες, προκαλώντας 50% αναχαίτιση του ρυθμού απομάκρυνσης φωσφόρου σε συγκεντρώσεις 8-10 mg NH3-N/L. Ο μηχανισμός αναχαίτισης περιγράφεται ικανοποιητικά από ένα un-competitive μοντέλο αναχαίτισης, με την ανοξική αναχαίτιση από FA να περιγράφεται καλύτερα από το μοντέλο της Levenspiel. c) Ο βαθμός αναχαίτισης των πολυφωσφορικών βακτηρίων είτε από τα νιτρώδη είτε από το αμμωνιακό άζωτο εξαρτάται από το pH που ελέγχει τις αντίστοιχες μορφές του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας. Σε όρους αζώτου, τα νιτρώδη αποτελούν τον ισχυρότερο αναχαιτιστή όταν το pH είναι κάτω από 8,2 περίπου, ενώ τα αμμωνιακά αποκτούν την μεγαλύτερη βαρύτητα όταν το pH υπερβαίνει αυτήν την τιμή. d) Η κοινή επίδραση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας μπορεί να περιγραφεί πολύ ικανοποιητικά από το τροποποιημένο ενζυμικό μοντέλο αναχαίτισης που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της διατριβής. Πρόσθετα, το μοντέλο δύναται να προσδιορίσει την βέλτιστη διακύμανση του pH κατά τις διεργασίες νιτρωδοποίησης και απονιτρωδοποίησης, για την ελαχιστοποίηση της αναχαίτισης των PAOs. e) Το FNA διαπιστώθηκε επίσης ότι αναχαιτίζει τα GAOs, αν και γενικά σε μικρότερο βαθμό από ότι τα PAOs. H επίδραση του FNA στην ανάπτυξη των GAOs φαίνεται να εξαρτάται από το pH, με τα GAOs να αναχαιτίζονται περισσότερο σε υψηλό pH (50% αναχαίτιση από 10 μg HNO2-N/L στο pH του 7 και από 3 μg HNO2-N/L στο pH του 8). Σε σύγκριση με τα PAOs, τα GAOs φαίνεται να έχουν σημαντικά υψηλότερη ανοχή στο FNA σε χαμηλό pH (7), ενώ σε σχετικά υψηλό pH (8) η ανθεκτικότητα των δύο μικροβιακών ομάδων μπορεί να θεωρηθεί συγκρίσιμη. Ως εκ τούτου, ένα υψηλό pH μπορεί να ωφελήσει τα PAOs, όχι μόνο μειώνοντας την περιεκτικότητα σε FNA, αλλά και ελαχιστοποιώντας τον ανταγωνισμό των GAOs. Ωστόσο, τα GAOs εμφανίζουν μεγάλη ανοχή στο FA, μένοντας πρακτικά ανεπηρέαστα από μια συγκέντρωση της τάξεως των 16 mg NH3-N/L (συγκέντρωση που, έχει βρεθεί ότι αναστέλλει τα PAOs κατά περίπου 60%). Ως εκ τούτου, οι υψηλές συγκεντρώσεις FA που επικρατούν σε συστήματα υψηλής φόρτισης αζώτου μπορεί να παρέχουν ένα ανταγωνιστικό πλεονέκτημα στα GAOs, ακυρώνοντας το όφελος της λειτουργίας σε υψηλό pH που ευνοεί τα PAO ως προς το FNA. Η επίδραση του FNA στην ανάπτυξη των GAO περιγράφεται ικανοποιητικά από μοντέλο αναχαίτισης τύπου Hill, με KiFNA ίσο με 9,2 και 3 μg N/L για τα pH του 7 και 8 αντίστοιχα, και έναν συντελεστή Hill στην τιμή των 2,45 και 2 για τα pH του 7 και 8 αντίστοιχα.f) Η προαγωγή των PAOs μέσω της απονιτρωδοποίησης με τη χρήση προπιονικού οξέος ως μοναδική πηγή άνθρακα, αποδείχθηκε η πιο αποτελεσματική στρατηγική για την καταστολή των GAOs και την επίτευξη σταθερής και αποτελεσματικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συνθήκες αναχαίτισης. Η στρατηγική βασίζεται στην παροχή της αποκλειστικής αξιοποίησης των νιτρωδών από τα PAOs για ένα διάστημα όπου μόνο αυτά μπορούν να αναπτυχθούν. Καθώς όμως, οι ρυθμοί απονιτρωδοποίησης των PAOs είναι σημαντικά χαμηλότεροι από τους αντίστοιχους των τυπικών ετεροτροφικών μικροοργανισμών, η εφαρμογή αυτής της στρατηγικής προϋποθέτει υψηλότερους ανοξικούς χρόνους παραμονής, περιορίζοντας την επεξεργασία με υψηλές φορτίσεις αζώτου. Μαθηματική προσομοίωση ενός τέτοιου συστήματος έδειξε ότι η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου σε συνθήκες νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης, είναι επιτεύξιμη για φορτίσεις αζώτου έως 0,2 kg N/m3 d χωρίς την ανάγκη ρύθμισης του pH, ενώ διαφαίνεται αδύνατη για φορτίσεις πάνω από 0,3 kg N/m3 d.g) Η εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης είναι εφικτή, ωστόσο προϋποθέτει ενδεχομένως την διαθεσιμότητα προπιονικού οξέος. Η προμήθεια μπορεί να γίνει μέσω της υδρόλυσης της πρωτοβάθμιας ιλύος με λειτουργία που στοχεύει στην μεγιστοποίηση του κλάσματος του προπιονικού επί του συνολικού παραγόμενου διαλυτού άνθρακα. Σε συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων που χαρακτηρίζονται από έναν σχετικά χαμηλό λόγο C:N, η ταυτόχρονη απομάκρυνση αζώτου και φωσφόρου με την ίδια πηγή άνθρακα είναι θεμιτή. Σε κάθε περίπτωση όμως, η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου σε αυτές τις συνθήκες θα απαιτεί μεγαλύτερους όγκους αντιδραστήρων σε σχέση με τις αντίστοιχες απαιτήσεις για απομάκρυνση αζώτου.

Himanshu K. Khuntia, Sanjeeb Mohapatra, Seema Sukhani et al.

Biological Treatment of Industrial Wastewater • 2021

The less energy-intensive anaerobic membrane bioreactor (AnMBR)-based wastewater treatment is a relatively new technology used to treat wastewater from a variety of domestic and industrial sources. Several engineering challenges and limited resource recovery have limited its wide application; however, good effluent quality compared to conventional anaerobic biological processes has increased its suitability as a novel treatment technology. Large-scale field implementation of AnMBRs has been limited and relatively slow despite the rapid developments in membrane manufacturing technologies and scientific publications. The overall performance of the bioreactor under various physicochemical conditions, process optimization, mitigation strategies of membrane fouling, and energy efficiency have not been completely evaluated. This chapter aims to present a basic understanding and the underlying mechanisms of AnMBRs, focusing on the current status and recent developments in their design and operation. It also addresses the research gaps in this area by discussing the different industrial applications of AnMBRs for the treatment of a variety of wastewaters.

Maryam Edalatmanesh

• 2021

A dynamic kinetic model, for the oxidation of phenol in water by UV/H₂O₂ system is developed. The model is based on elementary chemical and photochemical reactions, initiated by the photolysis of hydrogen peroxide into hydroxyl radical. Numerical values of chemical reaction rate constants and photochemical parameters are taken from literature. The model is validated with data on the oxidation of phenol in the simulated and the actual UV/H₂O₂ system. Using experimental data from literature, kinetic rate constants for the reactions involving phenol oxidation intermediates, catechol and hydroquinone, are estimated. The rate constants for the reactions, where phenol oxidized to catechol and hyroquinone by hydrogen peroxide are 9x10⁸ and 2x10⁸ s⁻¹ M⁻¹, respectively. The reaction rate constants for oxidations of catechol and hydroquinone by hydrogen peroxide are found to be 9x10⁸ and 8x10⁷ s⁻¹ M⁻¹, respectively. Phenol biodegradation is best represented by a two-step Haldane model. Both photochemical and biological models are coupled together to give one single chemical-biological system. The photochemical-biological process is optimized for the retention time, electrical energy consumption, and cost. The optimization approach is solved using the Successive Quadratic Programming (SQP) method. The least retention time for this system is determined to be 99h and the optimal electrical energy consumption occurs at a photochemical retention time of 15h and a biological retention time of 92h. Calculations on the total cost for different retention times show that the incurred cost by the photochemical unit is considerably higher than that by the biological unit. However, the minimum total cost is evaluated to occur at 15.5h of photochemical retention time and 90h of biological retention time.

Jebin Ahmed, Abhijeet Thakur, Arun Goyal

Biological Treatment of Industrial Wastewater • 2021

The increased population has led to an increase in the demand for goods which in turn has caused rapid industrialization. In turn, the increase in industrial set-ups has led to the increased production of industrial wastes. These industrial wastes cause major environmental havoc by polluting the water, air and soil. The quality and quantity of wastewater generated depends on the type of industry: it can contain non-biodegradable waste such as heavy metals, pesticides, plastic etc. and biodegradable compounds such as paper, leather, wool etc. Industrial wastewater can be toxic, reactive, carcinogenic or ignitable. Therefore, without proper treatment and management strategies, the discharging of the waste into water bodies can pose dreadful environmental and health effects. Several waterborne pathogens proliferate in wastewater and produce toxins, affecting the earth's ecosystem and human health. The toxins in industrial wastewater cause acute poisoning, immune system suppression and reproductive failure. According to the WHO, around 80% of diseases are waterborne. To address the environmental and health issues created by industrial wastewater, it is absolutely necessary to obliterate its toxicity by adequate treatment with physical, chemical and biological means so that it can be recycled for water conservation.

Shreya Anand, Koel Mukherjee, Padmini Padmanabhan

Biological Treatment of Industrial Wastewater • 2021

Industrial development across the globe has resulted in the contamination of groundwater, soils, and surface water with hazardous wastes and chemicals. It has become one of the key problems that needs to be resolved through globally approved research. The availability of pure and clean water to sustain human needs is considered one of the biggest challenges of this century. An enormous amount of resources, energy and capital is being disbursed worldwide for the treatment of enormous amounts of wastewater. Therefore, cost-effective treatments are needed for sustainable remediation of wastewater using a natural approach. Bioremediation is one biological approach that makes use of membrane bioreactors to satisfy the immediate environmental needs. Designing a bioreactor in which biological reactions can take place is one of the major challenges. The current chapter highlights the foremost challenges involved in designing and operating a bioreactor for wastewater treatment.

Monalisa Satapathy, Biju Prava Sahariah, J. Anandkumar

Biological Treatment of Industrial Wastewater • 2021

In past few years, the substantial growth of industrialization has caused a clean water crisis across the world. Water is a key resource for any industrial process and hence industries discharge considerable amounts of wastewater containing a number of pollutants that are toxic to the environment. Prolonged exposure of the pollutants to ecosystem is the biggest concern of the scientific community trying to develop efficient and sustainable techniques for proper handling of industrial wastewater. Biodegradation as a technique has gained popularity due to its eco-friendly nature, but the presence of recalcitrant compounds in wastewater restricts its large-scale application. In the present scenario, the moving-bed biofilm system has immense potential to deal with the diverse group of pollutants present in industrial wastewater. This chapter gives an overview of the moving-bed biofilm system and its application for the treatment of different industrial wastewaters. Furthermore, it explores the merits and demerits of the available biofilm systems and provides a critical review of recent research developments in the field and the sustainability of biofilm systems for large-scale application. This chapter gives new insights for future research into and development of biofilm systems that will make them a realistic approach to industrial wastewater treatment.

H. Muthukumar, M. K. Shanmugam, S. S. Dash et al.

Biological Treatment of Industrial Wastewater • 2021

Massive amounts of (anthropogenic) organic compounds have been released into the environment by industry, generating serious issues of environmental pollution. Currently, pharmaceuticals and personal care products are known as emerging organic pollutants and are the main contaminants of concern. Among the pollutants, caffeine is one of the obstinate compounds with a noxious effect on biological systems and it is necessary to eliminate caffeine from water. Caffeine is also considered an anthropogenic indicator for contamination of surface waters. In the past few years, physicochemical (advanced oxidation process, adsorption and filtration) and biological wastewater treatment methods have been developed and extensively used for the removal of pollutants. Currently, biological treatments and nanoparticle mediated photocatalytic processes have gained popularity for the removal of caffeine with high efficiency and low capital requirement. This chapter attempts to explain the challenges, pros, cons, multifaceted operation and time consumption involved in the physicochemical and biological treatment of caffeine.

, Chatchada Ratanachan

• 2009

Biological treatment is an appropriate method used in treating organiccontaining wastewaters because of its environment safe and low treatment cost. In this research, two units of sequencing batch reactors (SBR) were used to study the biodegradation of biodiesel wastewater obtained from Bangchak Public Company Limited by using the sludge obtained from the activated sludge treating biodiesel wastewater. The SBR units, having an effective volume of 1.5 L, were operated on a fill-and-draw basis with four cycles per day at different chemical oxygen demand (COD) loading rates (0.05-0.60 kg/m³d) at room temperature. Since the studied wastewater lacked of nitrogen and phosphate, ammonium hydrogen carbonate (NH₄HCO₃) and di-potassium hydrogen orthophosphate (K₂HPO₄) were added as nutrients for the enhancement of biodiesel wastewater biodegradation. The results showed that when the COD loading rate increased, the removal efficiency decreased. Under the studied conditions, a maximum COD removal of 91.4% and TOC removal of 35.7% were achieved at the lowest COD loading rate of 0.05 kg/m³d. Moreover, the minimum F/M ratio and the highest MLSS were found to correspond to the lowest COD loading rate.

Aparna Yadu, Biju Prava Sahariah, J. Anandkumar

Biological Treatment of Industrial Wastewater • 2021

Water is a precious element on earth which was easily available in pure form a few decades ago. However, with the passage of time the scenario has changed and procurement of clean as well as safe water is become a challenging issue worldwide. This is mainly due to the huge amount of wastewater generated from various industrial activities which has gained significant attention all over the world. Industry uses a huge amount of freshwater for various activities and releases wastewater as a by-product. The wastewater produced from industry is of major environmental concern owing to the toxic and hazardous nature of pollutants which are a serious threat to the ecosystem. It is therefore imperative to make a concerted effort towards the reduction of water utilization and treatment of wastewater to make it reusable and suitable for safe discharge into the environment. This chapter focuses on providing information about various futuristic industrial wastewater treatments and management strategies to make it environmentally benign.

Hui Xu, Bo Yang, Yanbiao Liu et al.

Biological Treatment of Industrial Wastewater • 2021

Due to the high concentration of dissolved organic matter in wastewater and the limited efficiency of traditional physicochemical technology, high-salt wastewater has been regarded as one of the most difficult-to-treat industrial wastewaters. Alternatively, biological technology has been considered as a promising solution. However, due to the high-salt concentration, it can inhibit the growth of microorganisms in the biological treatment process, thus limiting its wide application in engineering. To date, some challenging issues still need to be solved, such as long start-up time and the complex processes of the biological technologies. This chapter summarizes the recent advances in the biological treatment of high-salt wastewater, especially the current limitations of the biological technologies and research into halophilic microorganisms.

Ranjana Das, Chiranjib Bhattacharjee

Biological Treatment of Industrial Wastewater • 2021

A membrane bioreactor (MBR) is a robust device in the biological wastewater treatment field, which has been applied in treating municipal as well as industrial wastewater, with its distinct advantages such as high treatment efficiency, small footprint, simpler operation, as well as high-quality solid-free effluent. MBR technology is well recognized as a promising alternative to the conventional activated sludge (CAS) process of wastewater treatment. MBRs provide the prospect of producing high-quality effluent for sensitive receiving water bodies and offers water recycling and reuse benefits. The MBR has also been categorised as the perfect pre-treatment operation in industrial applications as an alternative to nanofiltration or the reverse osmosis process. The advanced MBR technology has the potency to be applied both in municipal and industrial waste water treatment with optimization of operational cost and superior effluent quality. This chapter presents a comprehensive review of MBR technology, advanced and hybrid membrane bioreactor devices, and applications of MBR in major high-strength industrial wastewater treatment sectors, highlighting treatment performances, membrane-fouling control strategies, hybrid MBR systems for enhanced treatment performance, and MBR life-cycle assessment in various applications.

, Aennes Abbas

• 2022

Clean water is fundamental to human health and ecosystem integrity. However, water quality deteriorates due to novel anthropogenic pollutants present at microgram per liter concentrations in urban water cycles (termed micropollutants). Wastewater treatment plants (WWTP) have been identified as major point sources for aquatic (micro-)pollutants. Chemical and ecotoxicological analyses have shown that conventional biological WWTPs do not fully remove micropollutants and associated toxicities, which is often because of mobile, polar and/or recalcitrant compounds and transformation products (TPs). To minimize possible environmental risks, advanced wastewater treatment (AWWT) technologies could be a promising mitigation measure. Multiple processes are therefore being developed and evaluated such as ozonation and ozonation followed by granulated activated carbon (GAC) or biological filtration. Assessing the performance of these combined AWWTs was the focus the TransRisk project. Within this project, this thesis accomplished four major goals. Firstly, the preparation of (waste)water samples was optimised for in vitro bioassays. Acidification, filtration and solid phase extraction (SPE) were tested for their impact on environmentally relevant in vitro endocrine activities, mutagenicity, genotoxicity and cytotoxicity. Significantly different outcomes of these assays were detected comparing neutral and acidified samples. Sample filtration had a lesser impact, but in some cases retention of particle-bound compounds could have caused significant toxicity losses. Out of three SPE sorbents the Telos C18/ENV at sample pH 2.5 extracted highest toxicity, some undetected in aqueous samples. These results indicate that sample preparation needs to be optimised for specific sample matrices and bioassays to avoid false-positive or -negative detects in effect-based analyses. Secondly, the above listed in vitro toxicities were monitored in a protected region for drinking water production in South-West Germany (2012-2015). Out of 30 sampling sites surface water and groundwater were the least polluted. Nonetheless, a few groundwater samples induced high anti-estrogenic activity that prompted further monitoring. The latter included a waterworks in which no toxicity was detected. Hospital wastewater also had elevated in vitro toxicities and hospitals are, thus, relevant intervention points for source control. The biological WWTPs were effective in removing most of the detected toxicity, and the selected bioassays proved to be pertinent tools for water quality assessment and prioritisation of pollution hotspots. Thirdly, the in vivo bioassay ISO10872 based on Caenorhabditis elegans (C. elegans) was adapted for this thesis. Using this model, a median effect concentration (EC50) for reproductive toxicity of the polycyclic aromatic hydrocarbon β-naphthoflavone (β- NF) of 114 µg/L was computed which is slightly lower than reported in the scientific literature. β-NF induced cyp-35A3::GFP (a biomarker in transgenic animals) in a time and concentration dependent manner (≤ 21.3–24 fold above controls). β-NF spiked wastewater samples supported earlier hypotheses on particle-bound pollutants. Reproductive toxicity (96 h) and cyp-35A3 induction (24 h) of biologically treated and/or ozonated wastewater extracts and growth promoting effects of GAC/biologically filtered ozonated wastewater extracts were observed. This suggested the presence of residual bioactive/toxic chemicals not included in the targeted chemical analysis. It also highlighted the importance of integrating multiple (apical and molecular) endpoints in wastewater assessments. Fourthly, five in vitro and the adapted C. elegans bioassay were integrated into a wastewater quality evaluation (developed within TransRisk). Out of the five AWWT options, ozonation (at 1 g O3,applied/g DOC, HRT ~ 18 min) combined with nonaerated GAC filtration was rated most effective for toxicity removal. All five AWWTs largely removed estrogenic and (anti-)androgenic activities, but not anti-estrogenic activity and mutagenicity, which even increased during ozonation. This has been observed in related studies and points towards toxic TPs. These results also emphasized the need for implementing an effective post-treatment for ozonation. The results from a parallel in vivo study with Lumbriculus variegatus and Potamopyrgus antipodarum conducted on site at the WWTP (using flow through systems) were in accordance with the C. elegans results. In this context, it is suggested to further implement C. elegans as sensitive, feasible and ecologically relevant model. In conclusion, this thesis shows how optimised sample preparation, long-term (in vitro) environmental monitoring, sensitive and ecologically relevant (in vivo) bioassays as well as innovative evaluation concepts, are pivotal in improving the removal of micropollutants and their toxicities with AWWTs. Future research should further develop and evaluate measures at sewer systems, conventional biological, tertiary and other advanced treatment technologies, as well as sociopolitical strategies (e.g., source control or natural conservation) and restoration projects. The effect-based tools optimised in this thesis will support assessing their success.

Shuang Xu, Junqin Yao, Meihaguli Ainiwaer et al.

BioMed Research International • 2018

Activated sludge bulking is easily caused in winter, resulting in adverse effects on effluent treatment and management of wastewater treatment plants. In this study, activated sludge samples were collected from different wastewater treatment plants in the northern Xinjiang Uygur Autonomous Region of China in winter. The bacterial community compositions and diversities of activated sludge were analyzed to identify the bacteria that cause bulking of activated sludge. The sequencing generated 30087–55170 effective reads representing 36 phyla, 293 families, and 579 genera in all samples. The dominant phyla present in all activated sludge were Proteobacteria (26.7–48.9%), Bacteroidetes (19.3–37.3%), Chloroflexi (2.9–17.1%), and Acidobacteria (1.5–13.8%). Fifty-five genera including unclassified_f_Comamonadaceae, norank_f_Saprospiraceae, Flavobacterium, norank_f_Hydrogenophilaceae, Dokdonella, Terrimonas, norank_f_Anaerolineaceae, Tetrasphaera, Simplicispira, norank_c_Ardenticatenia, and Nitrospira existed in all samples, accounting for 60.6–82.7% of total effective sequences in each sample. The relative abundances of Saprospiraceae, Flavobacterium, and Tetrasphaera with the respective averages of 12.0%, 8.3%, and 5.2% in bulking sludge samples were higher than those in normal samples. Filamentous Saprospiraceae, Flavobacterium, and Tetrasphaera multiplied were the main cause for the sludge bulking. Redundancy analysis (RDA) indicated that influent BOD5, DO, water temperature, and influent ammonia had a distinct effect on bacterial community structures.

M. Ikram, M. Zahoor, Gaber El-Saber Batiha

Zeitschrift für Physikalische Chemie • 2020

Abstract Textile industry releases large quantities of toxic dyes, which is a threat to public health and needs proper management before their release into environment. Out of the different approaches used these days, biodegradation and bio-decolorization is considered an eco-friendly and effective technique as this involves the use of microbes. This technique has the potential to be used effectively for a wide variety of dyes. In biological methods, mainly bacteria, fungi, and some algae are usually employed to remove or decolorize dyes present in textiles effluents and wastewaters. A number of researchers have used bacterial strains and relevant isolated enzymes successfully to decolorize a number of dyes. In this review article, various biological methods that have been used for the biodegradation and decolorization of textile dyes have been described. The review will also revive the significance of biological methods over other physical and chemical treatment methods that would be helpful in ensuring clean environment if used on large scale. Out of these methods, biodegradation through bacterial strains is considered as the best alternative to control water pollution as the growth rate of bacteria is considerably high as compared to other microorganisms. Thus if used the required biomass needed for biodegradation can be obtained in comparatively short interval of time.

Xueli Ma, Xu Dong, Jiabei Cai et al.

Frontiers in Microbiology • 2022

The spread of antibiotic resistant bacteria (ARB) and antibiotic resistance genes (ARGs) in hospital wastewater poses a great threat to public health, and wastewater treatment plants (WWTPs) play an important role in reducing the levels of ARB and ARGs. In this study, high-throughput metagenomic sequencing was used to analyze the bacterial community composition and ARGs in two hospitals exposed to different antibiotic use conditions (an eye specialty hospital and a general hospital) before and after wastewater treatment. The results showed that there were various potential pathogenic bacteria in the hospital wastewater, and the abundance and diversity of the influent ARGs in the general hospital were higher than those in the eye hospital. The influent of the eye hospital was mainly composed of Thauera and Pseudomonas, and sul1 (sulfonamide) was the most abundant ARG. The influent of the general hospital contained mainly Aeromonas and Acinetobacter, and tet39 (tetracycline) was the most abundant ARG. Furthermore, co-occurrence network analysis showed that the main bacteria carrying ARGs in hospital wastewater varied with hospital type; the same bacteria in wastewater from different hospitals could carry different ARGs, and the same ARG could also be carried by different bacteria. The changes in the bacterial community and ARG abundance in the effluent from the two hospitals showed that the activated sludge treatment and the direct chlorination disinfection can effectively remove some bacteria and ARGs in wastewater but have limitations. The species diversity increased significantly after the activated sludge treatment, while the direct chlorination disinfection did not increase the diversity. The activated sludge treatment has a better effect on the elimination of ARGs than the direct chlorination disinfection. In summary, we investigated the differences in bacterial communities and ARGs in wastewater from two hospitals exposed to different antibiotic usage conditions, evaluated the effects of different wastewater treatment methods on the bacterial communities and ARGs in hospital wastewater, and recommended appropriate methods for certain clinical environments.

I. Papajová, J. Šmigová, G. Gregová et al.

International Journal of Environmental Research and Public Health • 2022

Wastewater and wastewater treatment plants serve as urban reservoirs of pathogenic microorganisms. Wastewaters frequently contain bacteria, antibiotic-resistant bacteria, and developmental stages of parasites with significant zoonotic potential. Five wastewater treatment plants in the central part of Slovakia were investigated to determine the effect of treatment on bacterial community, antibiotic-resistant bacteria, and the occurrence of helminth eggs. Although all monitored chemical factors (chemical oxygen demand, biochemical oxygen demand, N-NH4, total nitrogen, and total phosphorus) in the effluent were in line with the legislative standards for discharge into public waterways, the results of minimal inhibitory concentrations show that reclaimed water harbors E. coli resistant to several commonly used antibiotics (ampicillin, piperacillin, and tazobactam, combine ampicillin and sulbactam, cefotaxime, tetracycline). The presence of endoparasite developmental stages in wastewater and sludge (Ascaris spp., Hymenolepis nana, eggs from the Ancylostomatidae family, Giardia duodenalis) indicates potential health risks for humans and workers at these sites. Treatment such as composting before applying sludge to land is necessary to reduce human pathogens.

Jiawen Xie, Ling Jin, Dong Wu et al.

Environmental Science & Technology • 2022

Antibiotic resistance genes (ARGs) are commonly detected in the atmosphere, but questions remain regarding their sources and relative contributions, bacterial hosts, and corresponding human health risks. Here, we conducted a qPCR- and metagenomics-based investigation of inhalable fine particulate matter (PM2.5) at a large wastewater treatment plant (WWTP) and in the ambient air of Hong Kong, together with an in-depth analysis of published data of other potential sources in the area. PM2.5 was observed with increasing enrichment of total ARGs along the coastal-urban-WWTP gradient and clinically relevant ARGs commonly identified in urban and WWTP sites, illustrating anthropogenic impacts on the atmospheric accumulation of ARGs. With certain kinds of putative antibiotic-resistant pathogens detected in urban and WWTP PM2.5, a comparable proportion of ARGs that co-occurred with MGEs was found between the atmosphere and WWTP matrices. Despite similar emission rates of bacteria and ARGs within each WWTP matrix, about 11-13% of the bacteria and >57% of the relevant ARGs in urban and WWTP PM2.5 were attributable to WWTPs. Our study highlights the importance of WWTPs in disseminating bacteria and ARGs to the ambient air from a quantitative perspective and, thus, the need to control potential sources of inhalation exposure to protect the health of urban populations.

Hebin Liang, Dongdong Ye, Pan Li et al.

RSC Advances • 2016

PCR-DGGE and Illumina HiSeq revealed the composition of bacterial communities in tannery sewage treatment and their linkages with the physicochemical characteristics of wastewater.

Sivakumar Kumaraguru, Rajesh Pandiyan

Nano LIFE • 2026

Hydrothermal synthesis stands out as a highly effective method for creating nanostructures due to its eco-friendly and straightforward process. In this study, we successfully produced sodium nitrate and nickel(II) chloride nanoparticles using hydrothermal methods. Sodium nitrate (NaNO[Formula: see text] and nickel(II) chloride hexahydrate (NiCl 2 ⋅6H 2 O) were synthesized through precise chemical methods. The resulting samples underwent thorough characterization and analysis using a range of advanced techniques, including UV–visible spectroscopy, microscopic analysis, FTIR, anti-bacterial activity testing, zeta potential measurement and SEM. The UV–visible spectroscopy results confirmed that the synthesized bimetallic Na–Ni nanoparticles possessed a size range of 300–600 nm. FTIR analysis identified the functional groups of the bimetallic Na–Ni nanoparticles, with peaks at 2853.016, 2080.025, 1607.706, 1363.261 and 834.847 cm[Formula: see text], corresponding to C–H stretching, C[Formula: see text]O stretching, N–H bending, O–H bending and C–H bending. Anti-bacterial activity tests demonstrated the effectiveness of the synthesized bimetallic Na–Ni nanoparticles against Gram-positive (Staphylococcus aureus) and Gram-negative (Pseudomonas aeruginosa) bacterial strains. Additionally, the study decisively showcased the capabilities of these bimetallic nanoparticles in dye degradation. Our findings revealed that these bimetallic nanoparticles can efficiently remove pollutants from highly contaminated water, rendering the treated water suitable for various applications, including agricultural use. Furthermore, we rigorously evaluated their performance as fertilizers. In seed germination experiments, they affirmed their potential in sustainable agriculture.

Mansi Mahajan, Alka Prakash

International Journal of Advancement in Life Sciences Research • 2025

Bioremediation has become a crucial technology to combat environmental pollution and waste management. This review amalgates the findings from several studies on the use of microorganisms precisely the immobilized bacterial consortia for the bioremediation of pollutants present in wastewater. The review features a variety of techniques such as use of electro spun bacterial nanofibers, microalgae predominant microbial consortia (MPMC) and other novel approaches to improve the efficiency of different bioremediation processes. This review also discusses the key challenges and future directions to present a thorough understanding of the existing condition and possible improvements in this field in the near future.

Lei Zhang, Yanan Cheng, Chang Qian et al.

Journal of Water and Health • 2020

Abstract Sewage pollution is a major threat to public health because sewage is always accompanied by pathogens. Generally, wastewater treatment plants (WWTP) receive and treat sewage to control pathogenic risks and improve environmental health. This study investigated the changes in the bacterial community over the course of treatment by a WWTP. Illumina MiSeq high-throughput sequencing was performed to characterize the bacterial communities in the WWTP. This study found that potential pathogens in the WWTP, especially the genera Arcobacter and Acinetobacter, were greatly reduced. In addition, high chemical oxygen demand levels provided excessive growth substrates for the genera Hyphomicrobium and Rhodoplanes, the abundance of which could exceed autotrophic bacteria, increasing the ammonium removal. According to the network analysis, the bacterial assemblage was not randomly arranged in the WWTP, and various defined processes led to higher intra-phylum (such as Proteobacteria) coexistence than expected. Moreover, the metabolic functions of bacterial communities significantly improved in the WWTP compared with the influent. Together, the data in this study emphasize the need to understand the bacterial community of WWTPs better. When analyzing the risks of WWTP drainage systems to the environment and human health, these data should be considered.

Feng Ju, Tong Zhang

The ISME Journal • 2015

Abstract Understanding environmental and biological influences on the dynamics of microbial communities has received great attention in microbial ecology. Here, utilizing large time-series 16S rRNA gene data, we show that in activated sludge of an environmentally important municipal wastewater treatment plant, 5-year temporal dynamics of bacterial community shows no significant seasonal succession, but is consistent with deterministic assemblage by taxonomic relatedness. Biological interactions are dominant drivers in determining the bacterial community assembly, whereas environmental conditions (mainly sludge retention time and inorganic nitrogen) partially explain phylogenetic and quantitative variances and indirectly influence bacterial assembly. We demonstrate a correlation-based statistical method to integrate bacterial association networks with their taxonomic affiliations to predict community-wide co-occurrence and co-exclusion patterns. The results show that although taxonomically closely related bacteria tend to positively co-occur (for example, out of a cooperative relationship), negative co-excluding correlations are deterministically observed between taxonomically less related species, probably implicating roles of competition in determining bacterial assembly. Overall, disclosures of the positive and negative species–species relations will improve our understanding of ecological niches occupied by unknown species and help to predict their biological functions in ecosystems.

Peter C. Pollard

Water Environment Research • 2006

Reliable design and operation of biological wastewater treatment systems demand robust models of biological degradation processes. However, methods to directly measure key bacterial growth kinetics have not been readily available. Those methods that are available rely on the classic measurement of aerobic respiration using oxygen uptake take rates. This paper shows how the thymidine assay can be used as a rapid and direct measurement of bacterial specific growth rates (μ) in situ for an anaerobic treatment process, independent of aerobic respiration. A filtration‐based assay is applied and evaluated a dispersed‐phase high‐rate anaerobic treatment process, with results obtained in less than an hour. The chemical oxygen demand (COD) biomass in the reactor was 0.52 kg COD m −3 and the specific growth rate of these anaerobic bacteria was 0.8 ± 0.2 d −1 . It took the bacterial populations 21.6 hours to double. This is an important advancement from existing methods that use aerobic respiration as a pseudo measurement of bacterial specific growth rates. The method allows rapid and direct measures of microbial growth rates for anaerobic treatment processes. Water Environ. Res. ,

Senthilkumar Sivaprakasam, Surianarayanan Mahadevan, Sudharshan Sekar et al.

Microbial Cell Factories • 2008

Abstract Background High salinity (1–10% w/v) of tannery wastewater makes it difficult to be treated by conventional biological treatment. Salt tolerant microbes can adapt to these saline conditions and degrade the organics in saline wastewater. Results Four salt tolerant bacterial strains isolated from marine and tannery saline wastewater samples were identified as Pseudomonas aeruginosa, Bacillus flexus, Exiguobacterium homiense and Staphylococcus aureus . Growth factors of the identified strains were optimized. Tannery saline wastewater obtained from a Common Effluent Treatment Plant (CETP) near Chennai (southern India) was treated with pure and mixed consortia of four salt tolerant bacterial strains. Experiments with optimized conditions and varying salt content (between 2 and 10% (w/v) were conducted. Salt inhibition effects on COD removal rate were noted. Comparative analysis was made by treating the tannery saline wastewater with activated sludge obtained from CETP and with natural habitat microbes present in raw tannery saline wastewater. Conclusion Salt tolerant bacterial mixed consortia showed appreciable biodegradation at all saline concentrations (2%, 4%, 6%, 8% and 10% w/v) with 80% COD reduction in particular at 8% salinity level the consortia could be used as suitable working cultures for tannery saline wastewater treatment.

, Suhuttaya Jiranuntipon

• 2008

Distillery effluent from sugarcane molasses leads to an environmental pollution due to its large volume and the presence of dark brown colored compounds, known as melanoidins. In this study, a bacterial consortium CONS8 isolated from waterfall sediments in Maehongsorn province was selected as a molasses-decolorizing consortium. Consortium CONS8 was able to decolorize, only within 2 days, in Erlenmeyer flasks, three different synthetic wastewaters containing either Viandox sauce (13.5% v/v), beet molasses wastewater (41.5% v/v) or sugarcane molasses wastewater (20% v/v) at 9.5, 8.0 and 17.5%, respectively. Four predominant bacteria present in the consortium CONS8 were identified by the 16S rDNA analysis. To achieve the highest decolorization, the artificial bacterial consortium MMP1 comprising Klebsiella oxytoca, Serratia mercescens (T2) and unknown bacterium DQ817737 (T4), was constructed. Under optimized conditions (aeration, pH), the bacterial consortium MMP1 was able to decolorize the synthetic melanoidins-containing wastewater at 18.3% within 2 days. The comparison of decolorization by the consortium MMP1 with abiotic control proved that the color removal for synthetic melanoidins-containing wastewater medium was mainly due to biotic activity of bacterial cells, without any adsorption phenomena. Supplement of nutrients and vitamin B did not promote melanoidins decolorization by bacterial consortium MMP1. Finally, the performance of a membrane bioreactor (MBR) for synthetic melanoidins-containing wastewater treatment was investigated at laboratory scale, with a mineral membrane. The reactor seeding was made with the MMP1 bacterial consortium inoculum. The reactor was performed with several hydraulic retention times (HRT) of 15, 20, and 40 hours. The performances were analyzed in terms of COD, color removal and biomass in the reactor. The results indicated that the higher COD and color removal efficiency were achieved with the longer HRT.

Melody Johnson

• 2024

This work presents a comprehensive assessment of the environmental impact of winery wastewater (WWW) and methods to optimize its co-treatment at municipal wastewater treatment plants (WWTPs). A comprehensive review of full-scale treatment at 53 wineries in Niagara Region, Canada finds constructed wetlands are the most common type of on-site treatment. On-site systems do not address all treatment needs, requiring a portion of the WWW to be co-treated at WWTPs. From freshwater resource impact perspective, the grey water footprint (WF) associated with treated WWW effluents is often neglected from wine-making WF assessments. However, co-treated WWW effluents from WWTPs in Niagara Region are found to exert a substantial grey WF equivalent to over 960 times their volume. While full-scale operating data indicate that anaerobic co-digestion with municipal sludges is effective (89% chemical oxygen demand (COD) removal), co-digestion capacity is limited. Bench-scale co-treatment trials confirm that WWTPs’ aerobic activated sludge systems can effectively co-treat WWW provided organic loading rates are limited. A combined Michaelis-Menten-University of Cape Town kinetic model is found to best describe the pH-inhibited oxidation by heterotrophs, and the associated specific rate of substrate consumption is highest in biomass that had been exposed to WWW (57.3 mg COD/g MLVSS·h) compared to biomass that had not (20.7 mg COD/g MLVSS·h). The feasibility of using the Fenton-like process to pre-treat WWW to enhance co-treatment is assessed. Solubilization of particulate COD and total organic carbon (TOC), and sample handling requirements prior to analysis, are identified as factors affecting their apparent removal rates. Inert suspended solids generated during sample handling is found to be the variable best suited to quantifying the extent of reaction. However, the Fenton-like process provides limited opportunity to optimize co-treatment at WWTPs. A novel pre-treatment method, the Waste Activated Sludge-High Rate (WASHR) process, is proposed to optimize the co-treatment. The WASHR process combines the contact stabilization and sequencing batch reactor processes. It utilizes waste activated sludge from the WWTP as its biomass source, allowing rapid start-up. Bench-scale trials confirm that the WASHR process, vs. direct co-treatment, can reduce COD and total suspended solids loadings to the WWTP’s liquid treatment train by more than 81% and 92%, respectively, and to the solids treatment train by more than 59% and 30%, respectively. A case study is used to confirm the economic viability and environmental sustainability of the WASHR process compared with direct co-treatment. Finally, robust correlations between easily measured parameters and key organic and nutrient parameters are developed. The correlations provide a promising, rapid and cost-effective means of characterising WWW to allow improved process control.

M. Arnaldos, K. R. Pagilla

Water Science and Technology • 2015

The paper presents research on hemoglobin (Hb)-expressing bacteria in biological wastewater treatment systems. The outcome(s) will greatly reduce the aeration needs of wastewater treatment plants (WWTPs) and provide insight into emerging biological nitrogen removal processes using low dissolved oxygen (DO) conditions. In anthropogenic terms, the bacteria that express Hb could be considered as ‘bacterial sherpas’ that can function under low DO conditions. Hitherto, this functionality of bacteria has not been realized due to the initial response of the aerobic treatment stage: namely, morphology change by bacteria to filamentous forms to overcome oxygen mass transfer limitations causing bulking/foaming and nitrification inhibition. There is evidence, however, of the potential expression of Hb proteins by activated sludge (AS) bacteria. First, bacteria known to possess genes coding Hb proteins have been isolated from AS systems. Secondly, there is evidence that WWTPs are able to operate their biological processes at low DO without sludge bulking or incomplete nitrification. Our research has focused on nitrifying systems and has shown that this is due to prolonged operation at low DO conditions (0.1 mg O2/L), which allows sufficient time for bacterial acclimation. Additionally, it has been shown that enhanced Hb expression is linked to acclimation to low DO conditions.

Ashita Rai, Virendra Kumar Yadav, Daoud Ali et al.

Environmental Research Communications • 2024

Abstract Common Effluent Treatment Plant (CETP) wastewater poses significant environmental and health risks, necessitating advanced treatment technologies to meet discharge standards. This study focuses on the collection and characterisation of wastewater from CETP Vatva, Ahmedabad, to evaluate physicochemical parameters heavy metal concentrations, and identify indigenous bacterial species. Using Taguchi’s systematic orthogonal array, an effective indigenous bacterial consortium (EIBC) was created for bioreactor-based CETP wastewater treatment. The 16S rDNA analysis revealed the presence of various bacterial strains, including the newly reclassified bacteria Stutzerimonas stutzeri. The analysis of the SI sample indicated substantial reductions in the concentrations of total dissolved solids (1090 mg L −1 ), biological oxygen demand (28 mg l −1 ), chemical oxygen demand (180 mg l −1 ), and total phosphorus (1.4 mg l −1 ) compared to their initial values of 7504 mg l −1 , 29 6 mg l −1 , 58 8 mg l −1 , and 3.04 mg l −1 , respectively, with a similar trend observed in samples SII and SIII. While turbidity was significantly reduced from initial concentrations ranging between 36–42 NTU to 4 NTU in SI, 5 NTU in SII, and 3 NTU in SIII samples, resulting in clear water, odour remained a persistent concern throughout the study. Heavy metal concentrations were within permissible discharge limits, with notable removal rates for Cu, Fe, and Cd. The study concludes that integrating systematic design modelling with bioreactor-based remediation effectively mitigates water pollution and safeguards human well-being.

Ahmad Hussaini Jagaba

ChemBioEng Reviews • 2025

Abstract Bacterial granular sludge (BGS) process is currently believed to be feasible biological technique for wastewater treatment. However, several shortcomings have been identified. Hence, it became critical to employ environment‐friendly microalgae in the granulation process. The microalgal‐bacterial granular sludge (M‐BGS) technique for nutrient removal relies mostly on microbial absorption. The peculiar shape of M‐BGS can give rise to improved separation among sludge and treated wastewater. Hence, this article provides a review of the literature on the several developments in the applications microalgae for aerobic granulation and wastewater treatment. The review emphasized the current state of M‐BGS use for wastewater treatment and discussed the effects of physical, environmental, operational, and microbiological factors on M‐BGS system. The review identified inhibitory effect of various xenobiotic compounds that could induce decoupling of symbiosis in M‐BGS systems. M‐BGS has proven to be effective as it provides ecologically beneficial and sustainable remedies for the challenges faced during wastewater treatment.