Pojawiające się biotechnologiczne zastosowania anammax

• Interakcje między bakteriami anammax a archaeą utleniającą amoniak, całkowitą bakterie utleniające amoniak oraz mikroorganizmy beztlenizujące metan zależne od azotanu\/azotynów z odpadów o niskiej amonicznej.
• Postępy w naukach materiałowych wykazały, że interakcje między bakteriami anammax a materiałami węglowymi, takimi jak tlenek grafenu, ziarnisty węgiel aktywny, biowęglarstwo i różne formy żelaza mogą zwiększyć aktywność anammax i usuwanie azotu.
• Odkrycie pozakomórkowych możliwości transferu elektronów bakterii anammax sugeruje, że jest to obiecujące energooszczędne podejście do usuwania azotu z jednoczesnym odzyskiwaniem energii.
• Wewnętrzna adaptacja morskich bakterii Anammax do warunków soli fizjologicznej czyni je kluczowym narzędziem do leczenia strumieni ścieków soli fizjologicznej.

Beztlenowe utlenianie amonu (ANAMMOX) jest energooszczędną metodą usuwania azotu, a badania nad Anammox w ciągu ostatniej dekady koncentrowały się przede wszystkim na jego zastosowaniu w domowym oczyszczaniu ścieków. Jednak pojawiające się badania rozszerzają swoje zastosowanie na nowe zastosowania biotechnologiczne i procesy oczyszczania ścieków.

Bakterie Anammax mogą bezpośrednio beztlenowo utleniać amon (NH 4+) do gazu azotowego (N2) za pomocą azotynu (no 2-) jako akceptor elektronów. Do tej pory proces anammax został uznany za bardziej energooszczędną i przyjazną dla środowiska metodę denitryfikacji w porównaniu z tradycyjnym procesem nitryfikacyjnym\/denitryfikacji energochłonnego. Korzystanie z anammax do oczyszczania ścieków oferuje znaczące zalety, w tym 60% zmniejszenie zużycia energii, całkowitą eliminację zewnętrznych dodatków węgla i 80% zmniejszenie produkcji nadmiaru szlamu, co czyni proces Anammax kluczowym elementem w osiąganiu energii neutralnej lub nawet oczyszczania ścieków z dodatnich energii. Anammox był szeroko stosowany w obiektach na pełną skalę do oczyszczania ścieków przemysłowych i bocznych. Ponadto w Strass (Austria), Changi (Singapur) i Xi'an (Chiny) zgłoszono trzy udane pełnowymiarowe rośliny amonowe anammax. Zakład Strass podaje suplementację głównego nurtu osadu z granulkami anammax w reaktorze z bajki bocznej. Reaktor jest obsługiwany w przerywanym napowietrzaniu w celu kontrolowania bakterii utleniających azotyn (NOB). Dodatkowo, obiekt Changi wykorzystuje bogaty w anammy szlam floccylentny w połączeniu z warunkami karmiącymi krokiem oraz naprzemiennymi warunkami tlenowymi i anoknymi w celu tłumienia NOB. Obiekt Xi'an wykorzystuje nośniki biofilmu do zatrzymywania wolno rosnących bakterii w zbiornikach beztlenowych. Reaktory działają z przerywanym napowietrzaniem w celu wygenerowania rozpuszczonych gradientów tlenu do produkcji azotynów. W szczególności, chociaż obiekty Changi i Xi'an nie zostały pierwotnie zaprojektowane do anammax, dostarczają one dowodów, że pełnoprawne anammax można również wdrożyć w ramach obecnej infrastruktury oczyszczania ścieków. Instalacje te podkreślają potencjał głównego nurtu częściowej witryny\/anammax (PN\/A). Ponadto krajowe oczyszczanie ścieków przy użyciu beztlenowego oczyszczania materii organicznej (faza A) i PN\/A (faza B) z powodzeniem wykazano w skalach laboratoryjnych i pilotażowych, co oznacza krok w kierunku neutralnego pod względem energii oczyszczania ścieków.

Pomimo udanej demonstracji głównego nurtu PN\/A, istnieje kilka wyzwań w powszechnym wdrożeniu anammax w leczeniu głównego nurtu, w tym potrzeba stabilnej produkcji NO 2-, zmniejszonej wydajności w niskich temperaturach i niskich stężeniach NH 4+ stężeń oraz potrzeby tłumienia działalności NOB. Badania w ciągu ostatniej dekady zostały skierowane do rozwiązania tych ograniczeń w celu pełnego wykorzystania anammax w celu obróbki ścieków domowych. Poczyniono znaczny postęp w osiąganiu stabilnego PN, poprawy wydajności w niskich temperaturach i niskich stężeniach amonu, kontrolując NOB i działanie w szerokim zakresie stosunków węgla do azotu (C: N). Ponadto ostatnie postępy zmieniły postrzeganie powolnego czasu podwojenia bakterii Anammax, które nie są już postrzegane jako bariera wdrażania technologii. Badania wykazały, że w zależności od gatunku szybkie podwojenie są wewnętrzną właściwością kinetyczną bakterii Anammax. Ponadto rosnąca różnorodność gatunków anammax i postępy w metodach hodowli wykazały, że bakterie te mogą rosnąć szybciej niż wcześniej oczekiwano, umożliwiając szerokie stosowanie technologii niezależnie od ich tempa wzrostu.

Podczas gdy podejmowane są wysiłki w celu rozwiązania tradycyjnych wyzwań i wąskich gardeł zastosowań anammax w warunkach głównego nurtu, ostatnie badania koncentrowały się również na innowacyjnych podejściach w celu rozwiązania tych wyzwań, takich jak interakcje anamma-mikrorobialne w celu innowacyjnego usuwania azotu z ścieków, interakcje bakterii anammox z materiałami w celu poprawy wydajności. Bakterie Anammax. Badania są przeprowadzane podczas badania nowych zastosowań biotechnologicznych, takich jak usuwanie amoniaku ze ścieków soli fizjologicznej przy użyciu morskich bakterii anammy (mAB).

Bakterie Anammox istnieją w złożonej sieci ekologicznej, w której oddziałują z różnymi innymi populacjami mikrobiologicznymi w środowisku naturalnym, systemami oczyszczania ścieków i kulturami wzbogacania. Biorąc pod uwagę, że Anammax pojawił się jako kluczowy proces denitryfikacji ścieków, zrozumienie tych złożonych interakcji drobnoustrojowych nie tylko wzbogaca nasze zrozumienie cyklizacji azotu drobnoustrojowego, ale jest również niezbędne do opracowania technologii oczyszczania ścieków nowej generacji. Zazwyczaj w jednoetapowym układzie PN\/A bakterie anammax współistnieją z bakteriami utleniającymi amoniak (AOB) w cząstkach w celu utworzenia relacji symtrophic, osiągając w ten sposób bardziej wydajną denitryfikację. AOB częściowo utlenia NH 4+ do NO2-, a wygenerowany NO2- służy jako akceptor elektronów dla bakterii anammax, utleniając NH 4+ i wytwarzając N2. Zalety jednoetapowego systemu PN\/A.

Interakcje między bakteriami anammax i (a) bakterii utleniającymi amoniak (AOB) i bakterii utleniającymi azotyn (NOB), (b) archaea i azotanowo-azotanowe metanowe (C) Complete amoniak (N-Damo) i (d) azotan\/azotek\/azotek\/(N-Damo).

Chociaż system PN\/A jednoetapowy ma zalety w stosunku do dwustopniowego systemu, niższa temperatura wpływającą na aktywność AOB i Anammax, a także utrzymanie stabilnej produkcji NO 2-, stanowi wyzwania dla eksploatacji bioreaktorów oraz wdrożenie procesów anammax w gminie. Dodatkowo, zależna od tlenu natura PN dodaje warstwę złożoności do działania reaktora. Nieodprawne zasilanie tlenu może ograniczyć utlenianie NH 4+ do no 2-, wpływając w ten sposób na usunięcie NH 4+ przez bakterie Anammax. I odwrotnie, nadmierna e-erze może prowadzić do nadmiaru produkcji NO2, co hamuje bakterie anammax i stymuluje NOB. To wytwarza ścieki bogate w azotan (NO3–) i NOB, które kompletne bakterie Anammax. Akumulacja NO3–, czy to z nieodłącznej aktywności metabolicznej bakterii anammy, czy NOB, może zmniejszyć ogólną jakość ścieków. Dlatego konieczne jest opracowanie bardziej wydajnych i stabilnych metod dostarczenia 2- do Anammax.

Sprzężenie anammax z archaea-utleniającym amoniak archaea (AOA) to wschodzący obszar badań, który obiecuje zapewnić bardziej solidny i wydajny system leczenia w porównaniu z tradycyjnym PN\/A z AOB. AOA jest dominującą gałęzią thaumarchaeota phylum znalezionej w różnych środowiskach oligotroficznych, takich jak minimalne strefy tlenu (OMZ). W porównaniu z AOB, AOA ma większą odporność na wahania temperatury otoczenia i ma znacznie wyższe powinowactwo do tlenu i NH 4+. Wysokie powinowactwo AOA do NH 4+ i tlen umożliwia efektywne działanie w środowiskach o niskich stężeniach podłoża. Właściwości te mogą sprawić, że AOA nadaje się do połączenia z anammaxem do domowego oczyszczania ścieków, co często ma wahania warunków pracy, takich jak zmiany temperatury i niskie stężenia amonu. Modele biofilmu sugerują, że AOA może zapewnić bardziej stabilne źródło NO 2- niż AOB w niższych stężeniach amoniaku.

Chociaż badania te zapewniają obiecujący wgląd w potencjał systemów AOA-Anammox, optymalizacja tego mikrobiologicznego partnerstwa w zastosowaniach na większą skalę pozostaje wyzwaniem. Ponadto AOA są utrudnione przez ich powolną tempo wzrostu i słabą zdolność do tworzenia biofilmów, co czyni je mniej odpowiednimi do zastosowań w rzeczywistości, w których szybka aktywność drobnoustrojowa i stabilne tworzenie biofilmu są krytyczne. Natomiast pełne bakterie utleniające amoniak (Comammox) stanowią bardziej wydajną alternatywę. W porównaniu z AOA bakterie COMAMMOX nie tylko wykazują wyższe tempo wzrostu, ale także mają szersze powinowactwo podłoża i oferują możliwość wzrostu biofilmów sprzężonych z Anammox. Bakterie Comammox są podzbiorem rodzaju Nitrospira z unikalną zdolnością do wykonywania obu etapów nitryfikacji i mogą utleniać NH 4+ do NO2 - i dalej do NO3 - w jednym organizmie. Badania wykazały współistnienie i współpracę bakterii Comammox i Anammax podczas denitryfikacji w laboratoryjnych i na dużą skalę oczyszczania ścieków. Jednak systemy te nie zostały początkowo zaprojektowane w celu wzbogacenia społeczności anammax-comammox. Projektowanie i ustanowienie społeczności syntetycznych jest trudniejsze, a mniej badań próbowało zaprojektować lub wzbogacić takie interakcje. Badanie przeprowadzone przez Gottshall i współpracowników ustanowiło syntetyczne społeczności anammax-comammox w kapsułkowanych kulkach hydrożelowych. W tych kulkach bakterie Comammox zajmowały tlenową strefę zewnętrzną, podczas gdy bakterie Anammax znajdowały się w warstwie anoksycznej poniżej. Ta interakcja i rozkład przestrzenny spowodował prawie całkowite usuwanie azotu i znacznie zmniejszyły tworzenie NO3 - kluczową cechą oczyszczania ścieków, gdzie NO3 - jest niepożądanym produktem ubocznym. Niskie stężenie NO3-w ściekach może wynikać z aktywności amoniaku anammi (DNRA) z podmiotu azotanowego (DNRA).

W innym badaniu ustanowiono społeczność Comammox-Anammox przy użyciu Nitrospira inopinata i anammax, które zostały korektowane z węglem w kulkach hydrożelowych. Ta nowatorska konfiguracja reaktora wykorzystywała promieniujące ogrzewanie węgla korzystające z organizmów, aby osiągnąć prawie całkowite usunięcie NH 4+ w niskich temperaturach (tj. 4 stopnie) podczas leczenia syntetycznych i rzeczywistych pierwotnych ścieków z gminy oczyszczalni ścieków.

Opierając się na tych ustaleniach, dalsze badania podkreśliły, że wysokie NH 4+ i niskie stężenia tlenu należą do najbardziej odpowiednich parametrów promowania wzbogacania i synergistycznego działania bakterii fakultatywnych i beztlenowych w celu osiągnięcia denitryfikacji ścieków głównego nurtu. Przyszłe badania powinny koncentrować się na opracowywaniu formatów ziarnistych odpowiednich do sekwencjonowania reaktorów wsadowych (SBR) i należy je przetestować w praktycznych warunkach i w systemach oczyszczania ścieków na większą skalę. Układy ziarniste z natury zwiększają szybkości transferu masy ze względu na ich zwiększoną powierzchnię i zoptymalizowaną dynamikę przepływu, co jest niezbędne do wydajnej dyfuzji podłoża i tlenu w biofilmie. Ponadto systemy te mają wyższą retencję biomasy, bardziej stabilne społeczności drobnoustrojów, a wymagania dotyczące objętości reaktora są znacznie zmniejszone z powodu zwartości układów ziarnistych. Granalne układy chammox-anammax są również bardziej tolerancyjne na fluktuacje stężeń podłoża i warunków środowiskowych. Biorąc pod uwagę te zalety, rozwój ziarnistych systemów Comammox-Anammox może być znacznym postępem w praktycznym wdrożeniu tej interakcji. Ostatecznym celem jest wykorzystanie mikroaerofilowości interakcji A. microbiophilum-anammy w celu oszczędzania energii napowietrzania i maksymalizacji zastosowania tego partnerstwa drobnoustrojowego do wydajnego usuwania azotu.

Symbiotyczna interakcja między anamymoxem a azotanem\/azotynami beztlenowymi mikroorganizmami utleniania metanu (N-DAMO) zapewnia unikalne i zrównoważone środowiska podejście do jednoczesnego usuwania azotu beztlenowego i metanu (CH4) w systemach oczyszczania ścieków. Społeczność drobnoustrojów zaangażowana w proces N-DAMO obejmuje grupę bakteryjną z Phylum NC10 (tj. Candidatus metylomirabilis) i grupę archeologiczną z Phylum euryarchaeota (IE, Candidatus metanoperedens). Bakterie N-Damo są w stanie zmniejszyć 2- do N2, podczas gdy archaea N-Damo zmniejszają 3- do no 2-, oba używają CH4 jako dawcy elektronów. Łączenie anammax z procesem N-Damo pozwala na jednoczesne usunięcie beztlenowego rozpuszczonego CH4, NH 4+, no 2- i nie 3- z ścieków. Ostatnie postępy wykazały synergistyczne sprzężenie procesów beztlenowych i Damo w konfiguracjach bioreaktorów, takich jak reaktory biofilmu błony (MBFRS) i reaktory biofilmu z ruchomego złoża (MBBRS) w połączeniu z pustymi włóknami. Te konfiguracje reaktora pozwalają na wydajne retencję biomasy i dostarczanie CH4 za pośrednictwem membran i pustych włókien, ustanawiając w ten sposób optymalne mikrośrodowisko dla organizmów Anammax i Damo.

Jednak pomimo zalet konfiguracji opartych na membranach istnieją wyzwania w wdrażaniu ich w systemach na większą skalę. Wysoka powierzchnia membrany jest niezbędna do zachowania wolno rosnących mikroorganizmów, co znacznie zwiększa koszty inwestycyjne. Ponadto dla N-Damo i beztlenowe bakterie N-Damo i beztlenowe bakterie N-Damo i beztlenowe, co znacznie zwiększa czas uruchamiania. Rozwój ziarnistego Damo zapewnia nowe opcje bardziej wydajnych konfiguracji reaktora, w ten sposób podejmując krok w kierunku praktycznego zastosowania. Badanie wykazało, że zastosowanie dojrzałych granulek beztlenowych jako biokarier przyspieszyło tworzenie granulek N-Damo. Jest to szczególnie ważne, ponieważ w poprzednich badaniach uzyskanie granulek N-Damo zajęło ponad rok z zawieszonych kłaczków. Granalny układ damo-anammy wykazał również wyższe szybkości transferu masy, wyższą retencję biomasy, znaczne zmniejszenie wymagań objętości reaktora i większą tolerancję na fluktuacje stężenia zasilającego i warunków pracy, takie jak szybkość obciążenia azotu i temperatura. Chociaż interakcja Anammax-N-Damo okazała się obiecana, pozostaje wyzwaniem, aby rozszerzyć ją z aplikacji laboratoryjnych na zastosowania na dużą skalę. Przyszłe badania koncentrują się na optymalizacji procesu beztlenowego-DAMO w celu poprawy wydajności usuwania azotu i przetestowania procesu w niższych temperaturach, rozwiązaniu problemów z przenoszeniem masy i dyfuzji oraz prowadzenia testów pilotażowych przy użyciu rzeczywistych ścieków.

Innowacyjne usuwanie azotu ze ścieków z wykorzystaniem interakcji ANAMMOX-Microbial oferuje nowe podejście do rozwiązywania wyzwań, które utrzymują się w wdrażaniu Anammax i tradycyjnych systemach PN\/A. Odporność AOA na fluktuacje środowiskowe i jego wysokie powinowactwo do tlenu i NH 4+, wraz z zdolnością bakterii Comammox do wykonywania dwóch etapów nitryfikacji, oferują obiecujące alternatywy dla AOB dla PN\/A. Jednak powolna tempo wzrostu AOA i wyzwania Comammox w tworzeniu biofilmu podkreślają wewnętrzne ograniczenia, które nie zostały jeszcze przezwyciężone poprzez pojawiające się badania. Ponadto, pomimo obietnicy symbiotycznych interakcji między mikroorganizmami ANAMMOX i N-DAMO w skali laboratoryjnej, skalowanie tych interakcji do aplikacji na pełną skalę pozostaje znaczącym wyzwaniem i podkreśla potrzebę dalszych badań w celu zoptymalizowania tych procesów dla zastosowań w świecie rzeczywistym.

Badania te sugerują, że zintegrowanie tych procesów drobnoustrojów może rozwiązać niektóre potencjalne problemy z wdrażaniem Anammax, ale nie w pełni rozwiążą te wyzwania. Ponadto integracja tych innowacji stanowi dodatkowe wyzwania, które należy rozwiązać. Niemniej jednak w badaniu wielu podejść badawczych wykraczających poza tradycyjne metody, ponieważ jest to droga do tworzenia nowych odkryć, rozwiązań i zastosowań. Ponadto badania te znacząco przyczyniły się do zrozumienia złożonej dynamiki drobnoustrojów otaczających bakterie Anammax, co ma kluczowe znaczenie dla poprawy istniejących i nowych jednostek oczyszczania ścieków. Chociaż zastosowanie tych nowatorskich interakcji może nie zapewniać pełnych rozwiązań dla istniejących wąskich gardeł w dającej się przewidzieć przyszłości, podkreśla potrzebę skoncentrowania przyszłych badań na przełożeniu sukcesów laboratoryjnych na praktyczne, skalowalne rozwiązania do oczyszczania ścieków komunalnych.