Biological N and P removal in activated sludge processes

Relevanta dokument
Biological N and P removal in activated sludge processes

Biological N and P removal in activated sludge processes

Biological N and P removal in activated sludge processes

Microobiology in anaerobic wastewater treatment

Microbiology in activated sludge processes

Microbiology in activated sludge processes. Sara Hallin Dept. Forest Mycology and Plant Pathology SLU

Microbiology in activated sludge processes

Microbiology in activated sludge processes

Cellens metabolism (ämnesomsättning) Kap8 Sidor i boken Enzymer: Metabolism: , , ,257,

Cellens metabolism (ämnesomsättning)

Anammox för klimatsmart kväveavskiljning

Tema A Dagvattenkvalitet från regn till recipient. Godecke Blecken Tekn dr, Forskarassistent Stadens vattensystem/va-teknik LTU

KILENE AVLOPPSRENINGSVERK. Hammarö kommun

Klimatpåverkan och de stora osäkerheterna - I Pathways bör CO2-reduktion/mål hanteras inom ett osäkerhetsintervall

TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening

Anammox - kväverening utan kolkälla. Var ligger forskningsfronten? E. Płaza J.Trela J. Yang A. Malovanyy

Nya processlösningar för resurseffektiv kväveavskiljning

TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening

Dränerade våtmarker, storlek på emission och rapportering till UNFCCC och Kyoto. Åsa Kasimir Klemedtsson

BASÅRET KEMI B BIOKEMI VT METABOLISM (sid )

Tentamen Biologi BI1112 Termin och år: Klockan:

Kvävedynamik vid organisk gödsling

RENINGSVERKETS MIKROBIOLOGI BIOLOGISKA RENINGSSTEGET KVÄVETS KRETSLOPP ANDRA BIOLOGISKA RENINGSMETODER

MBBR - Nu och i framtiden

Användning av kol och energikällor

Kväve former och transformering. Lars Leonardson Ekologiska inst/limnologi Lunds universitet

Bio P nätverket Var kom det ifrån och vart är vi på väg?

TENTAMEN i Vattenreningsteknik 1TV361

SWETHRO. Gunilla Pihl Karlsson, Per Erik Karlsson, Sofie Hellsten & Cecilia Akselsson* IVL Svenska Miljöinstitutet *Lunds Universitet

Etablering av biologisk fosforavskiljning i

IWA 12 th world congress on. Guadalajara, Mexico. Jan Moestedt Utvecklingsingenjör, Svensk Biogas FoU

Vägen till en förbättrad biologisk rening på ett koksverk. Erika Fröjd, SSAB Oxelösund

Enkel modellering av ett biologiskt reningsverk

Teoretisk sammanställning av studier kring lustgasemissioner från avloppsreningsverk RAPPORT. För Svenskt Vatten Utveckling

Lokalt reningsverk för Hammarby Sjöstad, etapp 1

EVALUATION OF DEAMMONIFICATION

Rapport av elektrokemisk vattenreningsanläggning. Britta Lindholm- Sethson, Kenichi Shimizu, Torgny Mossing.

Biofilmsprocess med rörligt bärarmaterial för nedbrytning av läkemedelsrester. Sofia Johannesson

SÄTTERSVIKENS AVLOPPSRENINGSVERK. Hammarö kommun

Energi, katalys och biosyntes (Alberts kap. 3)

TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening - 1RT361

TN LR TT mg/l N b) 2,6-Dimethylphenole

Nitrogen removal from municipal wastewater by mainstream Partial Nitritation/Anammox process

The test can be performed on the following devices. In addition, the required cuvette and the absorption range of the photometer are indicated.

Kapitel Var är vi i kursen???

Vad orsakar brunifieringen av svenska vatten detta vet vi idag Lars J. Tranvik Núria Catalan Anne Kellerman Dolly Kothawala Gesa Weyhenmeyer

Hur celler får energi från föda (Alberts kap. 13) Introduktion

Mikroorganismer i avloppsrening

STUDY ON ONE-STAGE PARTIAL NITRITATION-ANAMMOX PROCESS IN MOVING BED BIOFILM REACTORS: A

Långvariga odlingssystemförsök. Nyttjande av existerande långvariga försök och behov av nya försök. Maria Stenberg Hushållningssällskapet Skaraborg

Klimat och miljö vad är aktuellt inom forskningen. Greppa Näringen 5 okt 2011 Christel Cederberg SIK och Chalmers

Räkneuppgifter i Vattenreningsteknik - 2

Diel and monthly observations of plant mediated fluxes of methane, carbon dioxide and nitrous oxide from Lake Följesjön in Sweden using chamber method

Rejektvattenbehandlingens inverkan på kvävereduktionen vid Arboga reningsverk

Petter Holme. 8e September, 2008

Förbättring av kvävereduktionsprocessen på avloppsreningsverket Lucerna under WTOS-styrning

Etanol och biogas ur cellulosarika avfall. Utbildning om Resursåtervinning

Avloppsrening & Vattenrening. Sofia Andersson

Gräs till biogas gör åkermark till kolsänka LOVISA BJÖRNSSON

LUSTGAS FRÅN MARK HUR MINSKA?

Arbetstillfällen

Fossilförbannelse? Filip Johnsson Institutionen för Energi och Miljö Pathways to Sustainable European Energy Systems

Effektiv onlinemätning ger energibesparingar och minskade utsläpp

Konsumtion, energi och klimat. Annika Carlsson-Kanyama FOI och LTH

Klimat och Mat. Fil.dr. Åsa Kasimir Klemedtsson vik. Universitetslektor vid Inst. för Växt- och Miljövetenskaper, Göteborgs Universitet

Klimatnyttor från skog och landskap Peter Holmgren Director General Center for International Forestry Research, CIFOR 13 November 2014

Kan mikrobiell elektrokemi tillämpas inom avloppsvattenrening?

Genom att pumpa vatten från saltkilen under Göta älv till en badanläggning kan göteborgarnas önskan om att kunna bada mitt i stan uppfyllas.

Indikatorer för utvecklingen av de Europeiska energisystemen

Swedish case study potential biofuel production & remediation/stabilisation

Contracting division of Läckeby Water Group. Anaerob behandling av industriella avloppsvatten Daniel Ling 27 Januari 2011

Metabolism och energi. Hur utvinner cellen energi från sin omgivning? Hur syntetiserar cellen de byggstenar som bygger upp dess makromolekyler?

Mechanisms behind grave soil leachate and remediation options for drainage water

Content of presentation. Long-term effects, maintenance and costs for wastewater treatment wetlands in Sweden. Alhagen - Nynäshamn

Mikrobiologisk kunskap

Kommer klimatförändringen påverka återhämtning i sjöar och vattenddrag?

Desinfektionsmedel: verkningsmekanismer. Desinfektionsmedel (exempel) Perättiksyra. Etylenoxid. Fenoler CH 2 COOOH H 2 C CH 2. Kvart. am.

Strategier för effektiv nitrifikation slamålderns betydelse

Dynamics of Vibrio spp. in rela1on to phytoplankton community composi1on and environmental condi1ons

Grass to biogas turns arable land to carbon sink LOVISA BJÖRNSSON

Område: Ekologi. Innehåll: Examinationsform: Livets mångfald (sid ) I atomernas värld (sid.32-45) Ekologi (sid )

Karakterisering av reningsprocessen i SBRreaktorn. Characterization of the nitrogen reduction process in the SBR at Sobacken

Energiomsättning. ATP utgör den omedelbara energikällan ATP+H 2 0 ADP+Pi+energi ATP. Energi Muskelarbete Jontransport Uppbyggnad

Bioetanol till bilen en mikrobiell produktionsutmaning.

Lokalt reningsverk för Hammarby Sjöstad, etapp 1. Förutsättningar för biologisk fosforrening i avloppsvatten från Hammarby Sjöstad - en förstudie

Mejeriproduktionens miljöpåverkan. Johanna Berlin

SCAs hållbara produkter Susan Iliefski-Janols, Hållbarhetschef på SCA

Är passivhus lämpliga i fjärrvärmeområden?

Aerob och anaerob elektrontransport (Alberts kap. 14 och Madigan kap. 17)

Va#enbruksforskning i Sverige

Nitrifierande biofilmer för biologisk kväverening i avloppsreningsverk

Driftoptimering hur säkerställer vi att vi gör rätt? Upplägg. Förutsättningar för en bra gasproduktion. Vem är jag och vad sker på SLU?

Välkommen på Utbildningsdag. Processer i avloppsreningsverk

Välkommen till Sjöstadsverket

Energieffektiv vattenrening

Lustgas från mark - jordbrukets stora utmaning

processindustrin Thore Berntsson


Lignin i pulverpannor

Biogasens möjligheter i Skåne. Desirée Grahn Verksamhetsledare, Biogas Syd Landskrona,

Transkript:

Biological N and P removal in activated sludge processes Sara Hallin Department of Microbiology, SLU Sara Hallin

Metabolism

Oxidation: KOLFÖRENING KOLDIOXID + ELEKTRONER + VÄTEJONER Reduktion: SYRE + ELEKTRONER + VÄTEJONER VATTEN Fullständig reaktion: KOLFÖRENING + SYRE KOLDIOXID + VATTEN BIOKEMISKT BUNDEN ENERGI

Fermentation: GLUKOS ETANOL + KOLDIOXID BIOKEMISKT BUNDEN ENERGI Fermentation av socker till etanol och koldioxid. En del av kolet i sockret har oxiderats till koldioxid medan en del har reducerats till etanol (vanlig sprit).

Traditionell ASP Organiskt material bryts ner av mikroorganismer i luftningsbassängen. Slammet (biomassa och organiskt material)avskiljs från det renade vattnet i sedimenteringsbassängen..

Microbiological reactions in the N cycle ATMOSPHERE Denitrification N 2 SOIL/WATER Nitrogen fixation N 2 O Organically bound nitrogen orgnh 2 NO Assimilation Mineralization/ Ammonification Assimilation NO 2 NH 4 + NO 2 NO 3 Nitrification Dissimilatory nitrate reduction to ammonium

Kväverening + NH 4 NH NO 2 OH NO NO 2 3 2 NO N 2 O N 2

Nitrification a two step oxidation process Ammonia oxidation Nitrite oxidation NH 3 NH NO 2 OH 2 NO 3

Regulation of nitrous oxide emissions NO 3 NO 2 NO N 2 O N 2 N removal

Nitrification Redox Denitrification Glucose Glykolysis 2 Pyruvate 2 ATP 2 NADH 8 NADH 2 FADH TCA cycle 2 GTP 6 CO 2 NH 4 + NO 2 ATP NADH FADH ATP ATP O 2 H 2 0 NO 3 NO 2 NO N 2 O N 2 +

Ammonia oxidation: NH 3 + 1,5O 2 NO 2 + H + + H 2 O

Nitrite oxidation: NO 2 + ½ O 2 NO 3 Periplams OH

Metabolism

Carbon fixation Cell constituents Growth Lots of ATP needed! NADPH required!

Energetic constraints 1. ATP and NADH (reducing power) requirements in for Cfixation in Calvin cycle 2. NADH formed by reverse e flow: 2e Cyt c e e Cyt c O 2 NAD +

Ammonia Denitrifier oxidizer Diversity diversity in soil Bacteria Eukarya Archaea Ammonia oxidizers

Ammonia oxidizing archaea and bacteria (AOA and AOB), nitrite oxidizing bacteria (NOB) The organisms NH 3 oxidizers Proteobacteria: Nitrosomonas Nitrosococcus Nitrosospira NO 2 oxidizers Bacteria: Nitrobacter Nitrospira Thaumarchaeota: Nitrosopumilis

Screening of a 1215 Mb soil metagenomic library amoa amoa 16S NH 3 NH 2 OH NO 2 Treusch et al. 2005 Env Microbiol 7, 19851995

Highaffinity ammonia oxidation by AOA AOA: Nitrosopumilis maritimus ( ) AOB: Nitrosomonas spp; Nitrosospira spp.( ) nitrification in ocean water ( ) nitrification in soils ( ) lowest K m for ammonium assimilation ( ). (MartensHabbena et al. Nature, 2009)

Kväverening + NH 4 NH NO 2 OH NO NO 2 3 2 NO N 2 O N 2

Microbiological reactions in the N cycle ATMOSPHERE Denitrification N 2 SOIL/WATER Nitrogen fixation N 2 O Organically bound nitrogen orgnh 2 NO Assimilation Mineralization/ Ammonification Assimilation NO 2 NH 4 + NO 2 NO 3 Nitrification Dissimilatory nitrate reduction to ammonium

Denitrification pathway Pathway NO / + 3 = O NO 2 2

Denitrification: anaerobic respiration ATP Organic compound CO 2 Carbon flow Electron flow Biosynthesis NO 3, (NO 2, N 2 O)

Denitrification Cytoplasma NO 2 NO 3 NADH 2 NAD + nar 2e 2e 2enor e NO 3 Periplasma H + Proton motive force nir NO 2 NO NO N 2 O nos N 2 O N 2

Denitrifier diversity Diversity Bacteria Eukarya Archaea Denitrifiers

Nitrifikation Redox Denitrifikation Glucose Glykolysis 2 Pyruvate 2 ATP 2 NADH 8 NADH 2 FADH TCA cycle 2 GTP 6 CO 2 NH 4 + NO 2 ATP NADH FADH ATP ATP O 2 H 2 0 NO 3 NO 2 NO N 2 O N 2 +

Nitrifierande bakterier Denitrifierande bakterier Nitrifierare finns i mark och vatten Denitrifierare finns nästan överallt Bara några få arter Nitrifikation är två energigivande processer som utförs av två olika grupper av bakterier Nitrifierare växer långsamt Många bakteriesläkten Denitrifikation är en alternativ andningsprocess i frånvaro av syre Denitrifierare är växer oftast snabbt

Nitrogen reduction (%) Denitrification rate (mg N 2 ON g 1 VSS h 1 ) Effekt av extern kolkälla på kvävereningen a 100 1. Kvävereningsgrad (%): 2. Denitrifikastionskapacitet: b 15 80 E 60 E 10 40 5 20 R R 0 0 10 20 30 40 50 60 Time (days) Tid (dagar) 0 0 10 20 30 40 50 60 Time (days) Tid (dagar) R = Fördenitrifikation utan extern kolkälla E = Fördenitrifikation med etanoltillsats

Intermittent dosering av etanol i en fördenitrifikationsprocess Hasselblad & Hallin. 1998. Wat. Sci.Technol.

Kväverening + NH 4 NH NO 2 OH NO NO 2 3 2 NO N 2 O N 2

N 2 O producing processes and NO 3 leaching N 2 O N 2 O NO + NH 4 NH 2 OH NO 2 NO 3 NO 2 NO N 2 O N 2 NO 3

D I E T A G R I C U L T U R E E N V I R O N M E N T

World greenhouse gas emissions by sector

Regulation of N 2 O emissions NO 3 NO 2 NO N 2 O N 2

N 2 O/(N 2 O+ N 2 ) Microbes without nosz (N 2 O reductase gene) 1/3 of denitrifier genomes lack nosz (Jones et al. 2008 Molec Biol Evol) 0,8 Manipulation of soil denitrifier community showed direct causality link between the community composition and potential N 2 O emissions. (Philippot et al. 2011 Global Change Biol.) 0,6 0,4 0,2 0 Ratio of N 2 Oproducers

Gene copy ng 1 DNA Gene copy ng 1 DNA ng N Cattle Importance impact of on root the derived denitrifying carbon commmunity Potental denitrification N 2 O/(N 2 O+N 2 ) 500 1500 2500 10 30 50 70 g 1 dry soil h 1 Total bacteria (16S rrna) Proportion of denitrifiers genetically capable to reduce N 2 O (% nosz/16s rdna) Denitrifier genetically capable to reduce N 2 O (nosz) 1. 10 4 2.10 4 3.10 0.5 4 4.10 0.8 4 1.1 1.10 1.4 2 2.10 2 NO 3 NO 2 NO NNO 2 O nosz NO 2 3.10 2 N E Environmental Microbiology (2009) 11(6), 15181526 W S Mapping fieldscale spatial patterns of size and activity of the denitrifier community Low cattle impact 40 m High cattle impact Medium cattle impact Laurent Philippot, 1,2,* Jiri Ćuhel, 3 Nicolas P A Saby, 4 Dominique Chèneby, 1,2 Alicia Chroňáková, 3 David Bru, 1,2 Dominique Arrouays 4, Fabrice Martin Laurent 1,2 and Miloslav Śimek 3 (From L. Philippot, INRA)

Regulation of N 2 O emissions NO 3 NO 2 NO N 2 O N 2

Microbes that only have nosz (N 2 O reductase gene) Some organisms only have nosz and are potential N 2 O sinks. (Graf et al. in prep.)

Biological phosphorus removal ANAEROBIC AEROBIC Short chain fatty acids Energy Phosphate O 2 CO 2 +H 2 O Energy Phosphate Energy consumption for uptake of soluble organics. ATP and PO43 is released. Energy is conserved as polyphosphate granules. Uptake of PO 4 3. Consumption of stored products (PHB).

PHB synthesis & degradation Acetic acid AcetylCoA AcetoacetylCoA Acetoacetate ßhyroxybutyrylCoA ßhydroxybutyrate Polyßhyroxybutyrate (PHB)

Denitrification Biological phosphorus removal Recirculation of NO 3 ANAEROBIC REACTOR AEROBIC REACTOR SEDIMENTATION Organics Energy PO 4 3 O 2 CO 2 +H 2 O Energy PO 4 3

Nremoval in wetlands

Anaerobic zone Constructed wetlands Diffusion through aerenchyma CH 4 O 2 CO 2 CH 4 N 2 O N 2 O 2 Water CO 2 O 2 O 2 +NH 3 NO 3 O 2 NO 3 N 2 O N 2 Aerobic zone NO 3 Reduction zone NO 3 O 2 + NH 3 SO 2 4 Reduction zone CO 2 Reduction zone Acetate CH 4 Root exudates H 2 +CO 2

µg N/g DW/h Plants affect denitrification Ruiz et al., 2009, FEMS Microbiol. Ecol.

Wetland plants effects Rhizospehere Sediment DGGE of nosz Low rates High rates Typha and Fragmites select nosz communities Seasonal differences Ruiz et al., 2009, FEMS Microbiol. Ecol.

Conclusions and outlook Typha and Phragmites select nosz communities Typha and Phragmites increase denitrification activity Seasonal differences Is increase in rhizosphere enough for increased capacity of wetland? What about the abundance of denitrifiers?

Ekeby wetland in Eskilstuna Ekeby Constructed Wetland Total area: 36 ha Flow: ~45000m 3 /day

Waterflow paths Kjellin et al., 2007, Wat. Res.

Nremoval in mining impacted waters