Kylantys anammox biotechnologiniai pritaikymai

• Anammookso bakterijų ir amoniako oksiduojančios archaea sąveika, pilnomis amoniaku-oksiduojančiomis bakterijomis ir nuo nitrato\/nitrito priklausomais anaerobinėmis metanu oksiduojančiais mikroorganizmais suteikia naują požiūrį į nitrito kiekį nitrogenui pašalinti iš žemų amoniumo nuotekų.
• Medžiagų mokslo pažanga parodė, kad anammox bakterijų ir anglies medžiagų, tokių kaip grafeno oksidas, granuliuotos aktyvuotos anglies, biochar ir įvairių geležies formų, sąveika gali sustiprinti anammox aktyvumą ir azoto pašalinimą.
• Anammox bakterijų tarpląstelinių elektronų perdavimo galimybių atradimas rodo, kad tai yra perspektyvus energiją taupantis azoto pašalinimo metodas tuo pačiu metu atsigaunant energija.
• Vidinis jūrų anammox bakterijų pritaikymas prie fiziologinio tirpalo sąlygų daro juos pagrindine druskos nuotekų srautų gydymo įrankiu.

Anaerobinė amonio oksidacija (Anammox) yra energiją taupantis azoto pašalinimo metodas, o anammox tyrimai per pastarąjį dešimtmetį daugiausia dėmesio skyrė jo taikymui buitinių nuotekų valyme. Tačiau kylantys tyrimai plečia savo taikymą naujiems biotechnologinėms reikmėms ir nuotekų valymo procesams.

Anammox bakterijos gali tiesiogiai anaerobiškai oksiduoti amonį (NH 4+) į azoto dujas (N2), naudodamas nitritą (ne 2-) kaip elektronų akceptorių. Iki šiol „Anammox“ procesas buvo laikomas efektyvesniu ir ekologiškesniu denitrifikacijos metodu, palyginti su tradiciniu energijos reikalaujančiu nitrifikacijos\/denitrifikacijos procesu. Naudojant „Anammox“ nuotekų valymui, suteikia didelių pranašumų, įskaitant 60% sumažėjusį energijos suvartojimą, visišką išorinių anglies papildymų pašalinimą ir 80% sumažėjusį dumblo gamybos perteklių, todėl „Anammox“ procesas yra pagrindinis komponentas siekiant energijos neutralaus ar net energijos teigiamo nuotekų valymo. „Anammox“ buvo plačiai naudojamas viso masto pramoniniame ir šoniniuose nuotekų valyme. Be to, pranešta apie tris sėkmingus viso masto pagrindinius „Anammox“ amonio augalus Strass (Austria), Changi (Singapūras) ir Xi'an (Kinija). „Strass“ įrenginys praneša apie pagrindinio dumblo papildymą anammox granulėmis šoniniame reaktoriuje. Reaktorius veikia su protarpine aeracija, siekiant kontroliuoti nitritus oksiduojančias bakterijas (NOB). Be to, „Changi“ įrenginyje naudojamas anammox turtingas plokščias dumblas, derinamas su maitinimu ir kintančiomis aerobinėmis bei anoksinėmis sąlygomis, kad slopintų NOB. „Xi'an“ įrenginyje naudojami bioplėvelės laikikliai, kad būtų galima išlaikyti lėtai augančias bakterijas anoksinėse talpyklose. Reaktoriai veikia su protarpine aeracija, kad nitritų gamybai būtų ištirpę deguonies gradientai. Pažymėtina, kad „Changi“ ir „Xi'an“ įrenginiai iš pradžių nebuvo sukurti „Anammox“, jie pateikia įrodymų, kad dabartinėje nuotekų valymo įrenginių infrastruktūroje taip pat galima įgyvendinti viso masto pagrindinį „Anammox“. Šie įrenginiai pabrėžia pagrindinio dalinio nitritavimo\/anammox (PN\/A) potencialą. Be to, buitinių nuotekų valymas naudojant anaerobinius organinių medžiagų apdorojimą (A fazė) ir PN\/A (B fazė) buvo sėkmingai pademonstruotas laboratorinėse ir bandomosiose skalėse, žymint žingsnį link energijos neutralaus nuotekų valymo.

Nepaisant sėkmingo pagrindinio PN\/A demonstravimo, yra keletas iššūkių, kaip plačiai įgyvendinti „Anammox“ pagrindiniame gydyme, įskaitant būtinybę stabiliai NO 2- gamybai, sumažėjusį našumą žemoje temperatūroje ir žemoje NH 4+ koncentracijose ir poreikio slopinti NOB aktyvumą. Per pastarąjį dešimtmetį tyrimai buvo nukreipti į šiuos apribojimus, kad būtų galima visiškai išnaudoti „Anammox“ vidaus nuotekų gydymui. Siekiant stabilios PN, buvo padaryta reikšminga pažanga, gerinant žemos temperatūros ir mažos amonio koncentracijos veikimą, kontroliuojant NOB ir veikiant plačiame anglies ir azoto santykyje (C: N). Be to, naujausi pasiekimai pakeitė lėtą „Anammox“ bakterijų, kurios nebelaikoma kaip technologijos įgyvendinimo kliūtis, suvokimą. Tyrimai parodė, kad atsižvelgiant į rūšis, greitas dvigubinimo laikas yra vidinė anammox bakterijų kinetinė savybė. Be to, didėjanti „Anammox“ rūšių įvairovė ir kultūros metodų pažanga parodė, kad šios bakterijos gali augti greičiau, nei tikėtasi anksčiau, todėl ši technologija bus plačiai taikoma, nepaisant jų augimo greičio.

Nors stengiamasi spręsti tradicinius „Anammox“ programų iššūkius ir kliūtis pagrindinėse aplinkose, naujausi tyrimai taip pat buvo sutelkti į novatoriškus metodus, susijusius su šiais iššūkiais, tokiais kaip „Anammox-Microbial“ sąveika, siekiant pagerinti novatoriškų azoto kūrimo iš nuotekų, ir biologinėse bazės sąveikos su medžiagomis, o geležies papildymas anammokso nuotekų ir biologinių augalų sąveika su „Anammox“ nuotekų ir biologinėse auginamose. Anammox bakterijos. Šis tyrimas atliekamas tiriant naujas biotechnologinius pritaikymus, tokius kaip amoniako pašalinimas iš druskos nuotekų, naudojant jūrų anammox bakterijas (MAB).

Anammox bakterijos egzistuoja sudėtingame ekologiniame tinkle, kur jos sąveikauja su daugybe kitų mikrobų populiacijų natūralioje aplinkoje, nuotekų valymo sistemose ir praturtinimo kultūrose. Atsižvelgiant į tai, kad „Anammox“ atsirado kaip pagrindinis nuotekų denitrifikacijos procesas, supratimas, kad ši sudėtinga mikrobų sąveika ne tik praturtina mūsų supratimą apie mikrobų azoto ciklą, bet ir būtina kuriant naujos kartos nuotekų valymo technologijas. Paprastai vienos pakopos PN\/A sistemoje anammox bakterijos egzistuoja kartu su amoniako oksiduojančiomis bakterijomis (AOB) dalelėmis, kad sudarytų simtrofinį ryšį ir taip pasiektų efektyvesnį denitrifikaciją. AOB iš dalies oksiduoja NH 4+ iki NO2−, o sugeneruotas NO2− tarnauja kaip anammox bakterijų elektronų akceptorius, oksiduojantis NH 4+ ir gamindamas N2. Vienos pakopos PN\/A sistemos pranašumai.

Anammox bakterijų ir (a) amoniako oksiduojančių bakterijų (AOB) ir nitrito oksiduojančių bakterijų (NOB), (B) sąveika, amoniako oksiduojanti archaea (AOA), (c) visiško amoniako oksidacijos (komamokso) bakterijos (d) nitratas\/nitritai priklausomas anaerobinis methide Metheane metehidizavimas (ne-d.). Mikroorganizmai.

Nors vienos pakopos PN\/A sistema turi pranašumų prieš dviejų pakopų sistemą, žemesnė temperatūra, daranti įtaką AOB ir Anammox aktyvumui, taip pat palaikant stabilų NO 2- produkciją, kyla iššūkių biologiniams biologiniams darbams ir anammox procesų įgyvendinimui Muniviršio nuotekų gydyme. Be to, nuo deguonies priklausomas PN pobūdis prideda sudėtingumo sluoksnį reaktoriaus operacijai. Nepakankamas deguonies pasiūla gali apriboti NH 4+ oksidaciją iki NO 2-, taigi anammox bakterijų pašalinimas NH 4+. Ir atvirkščiai, dėl pernelyg aeracijos gali atsirasti NO2 perteklius, kuris slopina anammox bakterijas ir stimuliuoja NOB. Tai gamina nuotekas, kuriose gausu nitratų (NO3–) ir NOB, kurie išeina į anammox bakterijas. No3–3 kaupimasis dėl būdingo metabolinio anammox bakterijų ar NOB aktyvumo gali sumažinti bendrą nuotekų kokybę. Todėl būtina sukurti efektyvesnius ir stabilesnius metodus, kad būtų nepateikiami 2- į „Anammox“.

Anammox sujungimas su amoniaku-oksiduojančia archaea (AOA) yra kylanti tyrimų sritis, kuri žada suteikti tvirtesnę ir efektyvesnę gydymo sistemą, palyginti su tradiciniu PN\/A su AOB. AOA yra dominuojanti Thaumarchaeota phylum šaka, randama įvairiose oligotrofinėse aplinkose, tokiose kaip „Deguonies minimalios zonos“ (OMZ). Palyginti su AOB, AOA turi didesnį atsparumą aplinkos temperatūros svyravimams ir turi žymiai didesnį afinitetą deguonies ir NH 4+. Didelis AOA afinitetas NH 4+ ir deguonis leidžia jam efektyviai veikti aplinkoje, kurioje yra maža substrato koncentracija. Dėl šių savybių AOA gali būti tinkama deriniui su „Anammox“ vidaus nuotekų valymui, o tai dažnai turi svyruojančias darbo sąlygas, tokias kaip temperatūros pokyčiai ir maža amonio koncentracija. Bioplėvelės modeliai rodo, kad AOA gali suteikti stabilesnį NO 2- šaltinį nei AOB esant mažesnėms amoniako koncentracijoms.

Nors šie tyrimai suteikia daug žadančių įžvalgų apie AOA-Anammox sistemų potencialą, šios mikrobų partnerystės optimizavimas didesnio masto programose išlieka iššūkis. Be to, AOA kliudo lėtas augimo greitis ir blogas gebėjimas formuoti bioplėveles, todėl jie yra mažiau tinkami realiam gyvenimui, kai kritinė yra greitas mikrobų aktyvumas ir stabilus biofilmų susidarymas. Priešingai, visiškos amoniako oksiduojančios bakterijos (comammox) bakterijos siūlo efektyvesnę alternatyvą. Palyginti su AOA, „Comammox“ bakterijos ne tik pasižymi didesniu augimo tempu, bet ir turi platesnį substrato afinitetą ir suteikia galimybę augti bioplėvelėms, sujungtoms su anammox. „Comammox“ bakterijos yra Nitrospira genties pogrupis, turintis unikalų sugebėjimą atlikti abu nitrifikacijos etapus ir gali oksiduoti NH 4+ iki NO2 - ir toliau iki No3 - viename organizme. Tyrimai pranešė apie „Comammox“ ir „Anammox“ bakterijų sambūvį ir bendradarbiavimą denitrifikuojant laboratorinėse ir didelio masto nuotekų valymo sistemose. Tačiau šios sistemos iš pradžių nebuvo sukurtos specialiai praturtinti „Anammox-Comammox“ bendruomenes. Sintetinių bendruomenių kūrimas ir užmezgimas yra sudėtingesnis, todėl mažiau tyrimų bandė inžinierius ar praturtinti tokią sąveiką. Gottshall ir kolegų tyrimas nustatė sintetines anammox-comammox bendruomenes kapsuliuotose hidrogelio granulėse. Šiose karoliukuose „Comammox“ bakterijos užėmė aerobinę išorinę zoną, o anoksiniame sluoksnyje - anoksiniame sluoksnyje. Dėl šios sąveikos ir erdvės išdėstymo buvo beveik visiškas azoto pašalinimas ir žymiai sumažėjo NO3 - susidarymas - pagrindinis nuotekų valymo bruožas, kai NO3 - yra nepageidaujamas šalutinis produktas. Maža NO3-koncentracija nuotekose gali atsirasti dėl anammox bakterijų ir (arba) heterotrofinių denitrifikatorių ir (arba) heterotrofinių denitrifikatorių ir heterotrofinių denitrifikatorių.

Kitame tyrime buvo įkurta „Comammox-Anammox“ bendruomenė, naudojant Nitrospira inopinata ir Anammox, kurie kartu buvo inventuoti su anglies hidrogelio granulėmis. Šioje naujoje reaktoriaus konfigūracijoje buvo naudojamas spinduliuotės anglies kaitinimo kartu su organizmais kaitinimas, siekiant beveik visiško NH 4+ pašalinimo žemoje temperatūroje (ty 4 laipsniais), gydant sintetinius ir faktinius pirminius nuotekų atstovus iš savivaldybių nuotekų valymo įrenginių.

Remiantis šiais duomenimis, tolesni tyrimai pabrėžė, kad aukštos NH 4+ ir mažos deguonies koncentracijos yra vieni svarbiausių parametrų, skatinančių fakultatyvių ir anaerobinių bakterijų praturtėjimą ir sinergetinius veiksmus, siekiant pagrindinio nuotekų denitrifikacijos. Būsimi tyrimai turėtų būti sutelkti į granuliuotų formatų kūrimą, tinkantį sekos reaktoriams (SBR), ir juos reikia išbandyti praktinėmis sąlygomis ir didesnio masto nuotekų valymo sistemose. Granulinės sistemos iš esmės padidina masės perdavimo greitį dėl padidėjusio paviršiaus ploto ir optimizuotos srauto dinamikos, o tai yra būtina norint efektyviai difuzijai difuzijai ir deguonies difuzijai į bioplėvelę. Be to, šiose sistemose yra didesnis biomasės sulaikymas, stabilesnės mikrobų bendruomenės, o reaktoriaus tūrio reikalavimai labai sumažėja dėl granuliuotų sistemų kompaktiškumo. Granuliuotos comammox-Anammox sistemos taip pat yra tolerantiškesnės substrato koncentracijos ir aplinkos sąlygų svyravimams. Atsižvelgiant į šiuos pranašumus, granuliuotų „Comammox-Anammox“ sistemų kūrimas galėtų būti pagrindinis praktinio šios sąveikos įgyvendinimo pažanga. Pagrindinis tikslas yra išnaudoti A. mikrobiofilum-anammox sąveikos mikroaerofiliškumą, kad būtų galima sutaupyti aeracijos energijos, ir maksimaliai padidinti šios mikrobų partnerystės naudojimą efektyviam azoto pašalinimui.

Simbiotinė anammox ir nuo nitrato\/nitrito priklausomų anaerobinio metano oksiduojančių (N-Damo) mikroorganizmų sąveika suteikia unikalų ir ekologišką tvarų metodą tuo pačiu metu pašalinti anaerobinį azoto ir metano (CH4) nuotekų valymo sistemose. Mikrobų bendruomenė, įtraukta į „N-Damo“ procesą, apima bakterijų grupę iš „Phylum NC10“ (IE, Candidatus metilomirabilis) ir archealinę grupę iš „Phylum Euryarchaeota“ (ty, Candidatus metanoperedens). „N-Damo“ bakterijos gali sumažinti No 2- iki N2, o N-Damo archaea sumažina NO 3- iki NO 2-, abu naudojant CH4 kaip elektronų donorą. Derinant „Anammox“ su „N-Damo“ procesu, tuo pačiu metu ištirpinto CH4, NH 4+, no 2- ir ne 3-} iš nuotekų. Naujausi pasiekimai parodė sinergetinį anaerobinių ir DAMO procesų sujungimą bioreaktorių konfigūracijose, tokiose kaip membranos bioplėvelės reaktoriai (MBFR) ir judantys lovų bioplėvelės reaktoriai (MBBRS) kartu su tuščiaviduriais pluoštais. Šios reaktoriaus konfigūracijos leidžia efektyviai sulaikyti biomasės ir CH4 tiekimą per membranas ir tuščiavidurius pluoštus, taip nustatant optimalią anammox ir Damo organizmų mikroaplinką.

Nepaisant membranų pagrįstų konfigūracijų pranašumų, yra iššūkių jas įgyvendinti didesnio masto sistemose. Aukštas membranos paviršiaus plotas yra būtinas norint išlaikyti lėtai augančius mikroorganizmus, o tai žymiai padidina investicijų sąnaudas. Be to, norint suformuoti bioplėvelę, reikia maždaug 1-3 metų, kad N-Damo ir anaerobinės bakterijos suformuotų bioplėvelę, o tai žymiai padidina pradžios laiką. „Granular Damo“ kūrimas suteikia naujų parinkčių efektyvesnėms reaktorių konfigūracijoms, taip žengdamas žingsnį link praktinio pritaikymo. Tyrimas parodė, kad subrendusių anaerobinių granulių naudojimas, kai biocarrieriai pagreitino N-Damo granulių susidarymą. Tai ypač svarbu, nes ankstesniuose tyrimuose „N-Damo“ granulės iš suspenduotų flokų prireikė daugiau nei metų. Granulinė „Damo-Anammox“ sistema taip pat parodė didesnį masės perdavimo greitį, didesnį biomasės sulaikymą, reikšmingą reaktoriaus tūrio poreikių sumažėjimą ir didesnį toleranciją pašarų koncentracijos svyravimams ir eksploatavimo sąlygoms, tokioms kaip azoto apkrovos greitis ir temperatūra. Nors „Anammox-N-Damo“ sąveika parodė pažadą, išlieka iššūkis išplėsti ją nuo laboratorinių programų iki didelio masto programų. Būsimuose tyrimuose pagrindinis dėmesys bus skiriamas anaerobinio-damo proceso optimizavimui, siekiant pagerinti azoto pašalinimo efektyvumą ir išbandyti procesą žemesnėje temperatūroje, spręsti masės perdavimo ir difuzijos problemas bei atlikti bandomuosius bandymus, naudojant tikrus nuotekas.

Novatoriškas azoto pašalinimas iš nuotekų naudojant „Anammox-Microbial“ sąveiką siūlo naują požiūrį į iššūkius, kurie išlieka įgyvendinant „Anammox“ ir tradicines PN\/A sistemas. AOA atsparumas aplinkos svyravimams ir jo didelis afinitetas deguonies ir NH 4+, taip pat komammox bakterijų gebėjimui atlikti du nitrifikacijos etapus, siūlo perspektyvias AOB alternatyvas PN\/A. Tačiau lėtas AOA augimo tempas ir „Comammox“ iššūkiai biofilmų formavime pabrėžia vidinius apribojimus, kuriuos dar reikia įveikti atliekant kylančius tyrimus. Be to, nepaisant pažadų simbiotines „Anammox“ ir „N-Damo“ mikroorganizmų sąveiką laboratoriniu mastu, šias sąveikas mastelio keitimas iki viso masto pritaikymo išlieka svarbus iššūkis ir pabrėžia, kad reikia atlikti tolesnius tyrimus, kad būtų galima optimizuoti šiuos procesus realaus pasaulio taikymui.

Šie tyrimai rodo, kad šių mikrobų procesų integravimas gali išspręsti kai kurias galimas „Anammox“ įgyvendinimo problemas, tačiau jie nevisiškai išsprendžia šiuos iššūkius. Be to, šių naujovių integracija kelia papildomų iššūkių, kuriuos reikia išspręsti. Nepaisant to, reikia ištirti kelis tyrimų metodus, ne tik tradicinius metodus, nes tai yra kelias kuriant naujus atradimus, sprendimus ir programas. Be to, šie tyrimai labai prisidėjo prie sudėtingos mikrobų dinamikos, supančios „Anammox“ bakterijas, supratimą, o tai yra labai svarbu gerinant esamus ir naujus nuotekų valymo įrenginius. Nors artimiausioje ateityje šios naujos sąveikos taikymas gali nepateikti išsamius sprendimus esamiems kliūtims, ji pabrėžia, kad būsimiems tyrimams reikia sutelkti tyrimus, susijusius su laboratorinių sėkmių pavertimu į praktinius, keičiamus sprendimus, susijusius su savivaldybių nuotekų valymu.