Ný líftæknifræðileg notkun Anammox

• Milliverkanir milli anammox baktería og ammoníak-oxandi archaea, algjört ammoníak-oxandi bakteríur og nítrat\/nitrítháð loftfælnir metan-oxandi örverur veita nýja nálgun til að veita nitrít til anammox baktería til að fjarlægja nítrógen frá lágu notkunarmótum.
• Framfarir í efnavísindum hafa sýnt að samspil anammox baktería og kolefnisefna eins og grafenoxíðs, kornvirkt kolefnis, lífhleðslu og ýmis konar járn geta aukið virkni anammox og fjarlægingu köfnunarefnis.
• Uppgötvun utanfrumu rafeindaflutningsgetu anammox baktería bendir til þess að þetta sé efnileg orkunýtni nálgun til að fjarlægja köfnunarefni með samtímis orku endurheimt.
• Innri aðlögun sjávar anammox baktería að saltvatnsskilyrðum gerir þá að lykilverkfæri til að meðhöndla saltvatnsafrennslislyf.

Anaerobic ammoníum oxun (anammox) er orkunýtin aðferð til að fjarlægja köfnunarefni og rannsóknir á anammox undanfarinn áratug hafa fyrst og fremst beinst að beitingu þess í innlendri frárennslismeðferð. Hins vegar eru nýjar rannsóknir að auka notkun sína á nýjum líftækni og skólphreinsunarferlum.

Anammox bakteríur geta oxað ammoníum (NH 4+) beint við köfnunarefnisgas (N2) með því að nota nitrít (NO 2-) sem rafeindaviðtaka. Hingað til hefur Anammox ferlið verið talið orkunýtni og umhverfisvænni aðferð til að afneita samanborið við hefðbundið orkufreka nitrification\/afneitunarferli. Með því að nota anammox til skólphreinsunar býður upp á verulegan kost, þar með talið 60% minnkun á orkunotkun, fullkominni brotthvarfi utanaðkomandi kolefnisviðbótar og 80% minnkun á umfram framleiðslu á seyru, sem gerir Anammox ferlið að lykilþátt í því að ná fram orkuhlutlausri eða jafnvel orku jákvæðri meðferð. Anammox hefur verið mikið notað í aðstöðu í fullri stærð til iðnaðar- og hliðarmeðferðar. Að auki hefur verið greint frá þremur vel heppnuðum almennum anammox ammoníumplöntum í fullri stærð í Strass (Austurríki), Changi (Singapore) og Xi'an (Kína). Strassaðstöðin skýrir frá viðbót almennra seyru með anammox kornum í hliðarviðbragðinu. Reactor er starfræktur undir hléum loftun til að stjórna nítrít oxandi bakteríum (NOB). Að auki notar Changi-aðstöðan anammox-ríkur flocculent seyru ásamt stjúpfóðrun og til skiptis loftháðum og anoxískum aðstæðum til að bæla NOB. Xi'an aðstöðan notar líffilm burðarefni til að halda hægt vaxandi bakteríum í anoxískum skriðdrekum. Reactors eru starfræktir með hléum loftun til að mynda uppleyst súrefnisstig til nítrítframleiðslu. Athygli vekur að þrátt fyrir að aðstaða Changi og Xi'an hafi ekki verið upphaflega hönnuð fyrir anammox, þá veita þeir vísbendingar um að einnig sé hægt að hrinda í framkvæmd ANAMMOX í fullri stærð innan núverandi skólphreinsistöðva. Þessar innsetningar varpa ljósi á möguleika almennra nitrita\/anammox (PN\/A) að hluta. Að auki hefur verið sýnt fram á innlenda skólphreinsun með loftfirrðri lífrænu meðferð (A-áfanga A) og PN\/A (áfanga B) á rannsóknarstofu og tilraunavogum og markaði skref í átt að orkuhlutlausri skólphreinsun.

Þrátt fyrir árangursríka sýningu á almennum PN\/A eru nokkrar áskoranir við víðtæka útfærslu anammox í almennri meðferð, þar með talið þörf fyrir stöðugt NO 2- framleiðslu, minni árangur við lágan hita og lágan NH 4+ styrk og þörfina á að bæla NOB virkni. Rannsóknum undanfarinn áratug hefur verið beint að því að takast á við þessar takmarkanir til að nýta sér Anammox að fullu til að meðhöndla innlent skólp. Verulegar framfarir hafa orðið í því að ná stöðugum PN, bæta árangur við lágan hita og lágan ammoníumstyrk, stjórna NOB og starfa við breitt svið kolefnis til köfnunarefnishlutfalla (C: N). Að auki hafa nýlegar framfarir breytt skynjun á hægum tvöföldunartíma anammox baktería, sem er ekki lengur litið á sem hindrun fyrir framkvæmd tækninnar. Rannsóknir hafa sýnt að, háð tegundum, eru skjótir tvöföldunartímar innri hreyfiorka anammox baktería. Ennfremur hefur aukinn fjölbreytni anammox tegunda og framfarir í ræktunaraðferðum sýnt að þessar bakteríur geta vaxið hraðar en áður hefur verið gert ráð fyrir, sem gerir kleift að nota tæknina víða óháð vaxtarhraða þeirra.

Þrátt fyrir að leitast sé við að takast á við hefðbundnar áskoranir og flöskuhálsa anammox forrita í almennum stillingum, hafa nýlegar rannsóknir einnig beinst að nýstárlegum aðferðum til að takast á við þessar áskoranir, svo sem anammox-míkróbísk samskipti við nýstárlegar köfnunarefnisfjarlægðar frá frárennsli, milliverkanir anammox-bacteria með efni til að bæta árangur, járnbætur á anammox Wastewater meðferð Ammoníummeðferð með anammox bakteríum. Þessar rannsóknir eru gerðar við að kanna ný líftækni, svo sem að fjarlægja ammoníak úr saltvatni með því að nota anammox bakteríur sjávar (MAB).

Anammox bakteríur eru til í flóknu vistfræðilegu neti þar sem þær hafa samskipti við ýmsa aðra örverustofna í náttúrulegu umhverfi, skólphreinsikerfi og auðgunarrækt. Í ljósi þess að Anammox hefur komið fram sem lykilferli fyrir afneitun skólps, þá skilur skilning á þessum flóknu örveru milliverkunum skilning okkar á örveru köfnunarefnishjólreiðum heldur er það einnig nauðsynlegt til að þróa næstu kynslóð skólphreinsunartækni. Venjulega, í eins stigs PN\/A kerfi, sambúðar anammox bakteríur við ammoníak oxandi bakteríur (AOB) í agnum til að mynda samhliða samband og ná þannig skilvirkari afneitun. AOB oxar að hluta NH 4+ í NO2−, og myndað No2− þjónar sem rafeindviðtakandi fyrir anammox bakteríur, oxandi NH 4+ og framleiðir N2. Kostir eins stigs PN\/A kerfi.

Milliverkanir milli anammox baktería og (a) ammoníaks oxandi baktería (AOB) og nítrít oxandi bakteríur (NOB), (B) ammoníak oxandi archaea (AOA), (C) fullkomið ammoníak oxandi (comammox) bakteríur, og (d) nítrat\/nitrít-háð anaerobic metan oxidising (nítrat\/nitrítíum.

Þrátt fyrir að PN\/A kerfið í eins stigs hafi yfirburði yfir tveggja þrepa kerfinu, þá er lægra hitastigið sem hefur áhrif á virkni AOB og Anammox, auk þess að viðhalda stöðugu NO 2- framleiðslu, skapar áskoranir við notkun lífreaktora og framkvæmd anammox ferla í úrgangs meðferðar. Að auki bætir súrefnisháð eðli PN lag af flækjustigi við virkni reactor. Ófullnægjandi súrefnisframboð getur takmarkað oxun NH 4+ við ekkert 2- og þar með haft áhrif á að fjarlægja NH 4+ með anammox bakteríum. Aftur á móti getur ofvirkni leitt til umfram NO2 framleiðslu, sem hindrar anammox bakteríur og örvar NOB. Þetta framleiðir frárennsli sem er rík af nítrati (NO3–) og NOB, sem ná saman anammox bakteríum. Uppsöfnun NO3–, hvort sem er frá eðlislægri efnaskiptavirkni anammox baktería eða NOB, getur dregið úr heildargæðum frárennslis. Þess vegna er nauðsynlegt að þróa skilvirkari og stöðugri aðferðir til að veita engu 2- til Anammox.

Tenging anammox við ammoníak-oxandi archaea (AOA) er vaxandi rannsóknarsvið sem lofar að veita öflugri og skilvirkara meðferðarkerfi miðað við hefðbundið PN\/A með AOB. AOA er ríkjandi grein Thaumarchaeota phylum sem er að finna í ýmsum fákeppni umhverfi, svo sem lágmarkssvæðum súrefnis (OMZ). Í samanburði við AOB hefur AOA meiri seiglu við sveiflur í umhverfi og hefur verulega meiri sækni í súrefni og NH 4+. Mikil skyldleiki AOA við NH 4+ og súrefni gerir það kleift að starfa á skilvirkan hátt í umhverfi með lágum undirlagsstyrk. Þessir eiginleikar geta gert AOA hentugt til samsetningar með anammox til meðferðar á skólphreinsun, sem oft hefur sveiflukennd rekstrarskilyrði eins og hitastigsbreytingar og lágan ammoníumstyrk. Líffilm líkön benda til þess að AOA geti veitt stöðugri uppsprettu NO 2- en AOB við neðri ammoníakstyrk.

Þrátt fyrir að þessar rannsóknir veiti efnilegri innsýn í möguleika AOA-Anammox kerfa, þá er það áskorun að hámarka þetta örverusamstarf í stærri forritum. Að auki er AOA hamlað af hægum vaxtarhraða þeirra og lélegri getu til að mynda líffilm, sem gerir þeim minna hentugt fyrir raunverulegar notkanir þar sem hröð örveruvirkni og stöðug myndun líffilms eru mikilvæg. Aftur á móti bjóða fullkomnar ammoníak oxandi bakteríur (COMAMMOX) bakteríur skilvirkari valkost. Í samanburði við AOA sýna comammox bakteríur ekki aðeins hærri vaxtarhraða, heldur hafa þeir einnig víðtækari undirlagsækni og bjóða upp á möguleika á vexti líffilma sem tengjast Anammox. Comammox bakteríur eru hlutmengi ættkvíslarinnar Nitrospira með þá einstöku getu til að framkvæma bæði skrefin í nitrification og geta oxað NH 4+ í NO2– og lengra til NO3– í einni lífveru. Rannsóknir hafa greint frá sambúð og samvinnu comammox og anammox baktería við afneitun á rannsóknarstofu og stórfelldum skólphreinsunarkerfi. Hins vegar voru þessi kerfi ekki upphaflega hönnuð til að auðga anammox-comammox samfélög sérstaklega. Það er meira krefjandi að hanna og koma á tilbúnum samfélögum og færri rannsóknir hafa reynt að hanna eða auðga slíkar samskipti. Rannsókn frá Gottshall og samstarfsmönnum settu tilbúið anammox-comammox samfélög innan hjúpaðra hýdrógelperla. Í þessum perlum tóku comammox bakteríur loftháð ytri svæði en anammox bakteríur bjuggu í anoxíska laginu fyrir neðan. Þetta samspil og staðbundið fyrirkomulag leiddi til næstum fullkominnar fjarlægingar á köfnunarefni og minnkaði marktækt NO3 - myndun, lykilatriði í skólphreinsun, þar sem NO3– er óæskileg aukaafurð. Lítill NO3-styrkur í skólpi getur verið vegna dreifandi nítrataminnkandi ammoníaks (DNRA) virkni anammox baktería og\/eða heterotrophic denitrifiers.

Í annarri rannsókn var stofnað comammox-anammox samfélag með því að nota Nitrospira inopinata og anammox, sem voru samhliða kolefni í hýdrógelperlum. Þessi skáldsaga reactor stillingar notaði geislandi upphitun kolefnissamstarfsins við lífverurnar til að ná nánast fullkominni NH 4+ fjarlægingu við lágt hitastig (þ.e.

Með því að byggja á þessum niðurstöðum hafa frekari rannsóknir lagt áherslu á að mikill NH 4+ og lítill súrefnisstyrkur er meðal viðeigandi breytna til að stuðla að auðgun og samverkandi verkun á hliðarstigi og loftfirrðri bakteríum til að ná fram almennri frárennslisvandamál. Framtíðarrannsóknir ættu að einbeita sér að því að þróa korn snið sem henta til að raðgreina lotu reaktors (SBR) og þarf að prófa við hagnýtar aðstæður og í stærri skólphreinsunarkerfi. Kornakerfi eykur í eðli sínu fjöldaflutningshraða vegna aukins yfirborðs þeirra og bjartsýni flæðisvirkni, sem er nauðsynleg fyrir skilvirka dreifingu undirlags og súrefnis í líffilminn. Að auki hafa þessi kerfi hærri lífmassa varðveislu, stöðugri örverusamfélög og kröfur um rúmmál reaktors eru mjög minnkaðar vegna þéttleika kornkerfa. Granular comammox-anammox kerfin eru einnig þolandi fyrir sveiflum í styrk undirlags og umhverfisaðstæðum. Miðað við þessa kosti gæti þróun kornótt comammox-anammox kerfin verið mikil framþróun í hagnýtri framkvæmd þessa samspils. Endanlegt markmið er að nýta örfrumnafæð A. microbiophilum-anammox samspilsins til að spara loftun orku og hámarka notkun þessa örveruaðstoðar til að fjarlægja köfnunarefni.

Samhverf samspil anammox og nítrat\/nitrítháðs loftfælna metanoxunar (N-DAMO) örveru veitir einstaka og umhverfislega sjálfbæra nálgun til að fjarlægja loftfirrt köfnunarefni og metan (CH4) í úrgangs meðferðarkerfum. Örverusamfélagið sem tekur þátt í N-DAMO ferlinu felur í sér bakteríuhóp frá phylum NC10 (þ.e. candidatus metýlomirabilis) og archaeal hóp frá phylum euryarchaeota (þ.e. candidatus metanoperedens). N-DAMO bakteríurnar geta dregið úr NO 2- í N2, á meðan N-Damo archaea dregur úr NO 3- í NO 2-, sem báðir nota CH4 sem rafeindagjafa. Með því að sameina anammox við n-damo ferlið gerir það kleift að fjarlægja samtímis loftfirrðri uppleyst CH4, NH 4+, nei 2- og NO 3- frá skólpi. Nýlegar framfarir hafa sýnt fram á samverkandi tengingu loftfirrðra og DAMO ferla í stillingum lífreaktors eins og líffilmum himna (MBFR) og líffilms reaktorum (MBBR) ásamt holum trefjum. Þessar stillingar reaktors gera kleift að varðveita lífmassa og afhendingu CH4 um himnur og holur trefjar og koma þannig á ákjósanlegt örumhverfi fyrir anammox og damo lífverur.

En þrátt fyrir kosti himnabundinna stillinga eru áskoranir við að hrinda þeim í framkvæmd í stærri kerfum. Hátt yfirborð himnunnar er nauðsynlegt til að halda örvandi örverum, sem eykur fjárfestingarkostnað verulega. Að auki tekur það um það bil 1-3 ár fyrir n-damo og loftfirrðar bakteríur til að mynda líffilm, sem eykur verulega upphafstíma. Þróun á kornóttum Damo veitir nýja möguleika fyrir skilvirkari stillingar reaktors og tekur þannig skref í átt að hagnýtri notkun. Rannsóknin sýndi að notkun þroskaðra loftfirrðra kyrna þegar lífkjarnar flýttu fyrir myndun n-damo kyrna. Þetta er sérstaklega mikilvægt vegna þess að í fyrri rannsóknum tók það meira en eitt ár að fá N-Damo korn úr stöðvuðum flokkum. Kornótt Damo-anammox kerfið sýndi einnig hærra massaflutningshraða, hærri lífmassa varðveislu, veruleg lækkun á krafti reaktors og meiri þol gegn sveiflum í styrk fóðurs og rekstrarskilyrðum eins og köfnunarefnishleðsluhraða og hitastigi. Þrátt fyrir að samspil anammox-n-damo hafi sýnt loforð, er það enn áskorun að lengja það frá rannsóknarstofuforritum til stórfelldra nota. Framtíðarrannsóknir munu einbeita sér að því að hámarka loftfirrð-Damo ferlið til að bæta skilvirkni köfnunarefnis og prófa ferlið við lægra hitastig, taka á fjöldaflutningi og dreifingarvandamálum og gera tilraunapróf með því að nota raunverulegan afrennsli.

Nýsköpun köfnunarefnis fjarlægja frá skólpi með því að nota anammox-örveru milliverkanir býður upp á nýja nálgun til að takast á við áskoranir sem eru viðvarandi í anammox útfærslu og hefðbundnum PN\/A kerfum. Seigla AOA við umhverfissveiflur og mikla skyldleika þess við súrefni og NH 4+, ásamt getu comammox baktería til að framkvæma tvö nitrifunarskref, bjóða efnilegum valkostum við AOB fyrir PN\/A. Hins vegar var hægt vaxtarhraði AOA og áskoranir Comammox í myndun líffilms undirstrikar eðlislægar takmarkanir sem enn hefur ekki verið hægt að vinna bug á með nýjum rannsóknum. Ennfremur, þrátt fyrir loforð um samlífi milliverkana milli anammox og n-damo örveru á rannsóknarstofu mælikvarða, er það veruleg áskorun að stækka þessi samskipti við í fullri stærð og varpa ljósi á þörfina fyrir frekari rannsóknir til að hámarka þessa ferla fyrir raunverulegar umsóknir.

Þessar rannsóknir benda til þess að samþætting þessara örveruferla hafi möguleika á að takast á við nokkur möguleg vandamál við framkvæmd anammox, en þau leysa ekki að fullu þessar áskoranir að fullu. Ennfremur sýnir samþætting þessara nýjunga frekari áskoranir sem þarf að taka á. Engu að síður er gildi í að kanna margar rannsóknaraðferðir umfram hefðbundnar aðferðir þar sem þetta er leiðin til að búa til nýjar uppgötvanir, lausnir og forrit. Ennfremur hafa þessar rannsóknir lagt verulegan af mörkum til skilnings á flóknu örveruvirkni í kringum anammox bakteríur, sem skiptir sköpum til að bæta núverandi og nýjar skólphreinsunareiningar. Þrátt fyrir að beiting þessara nýrra samskipta gæti ekki veitt fullkomnar lausnir á núverandi flöskuhálsum í fyrirsjáanlegri framtíð, þá dregur það fram nauðsyn þess að einbeita framtíðarrannsóknum á að þýða árangur rannsóknarstofu í hagnýtar, stigstærðar lausnir fyrir skólphreinsun sveitarfélaga.