Denitrification Under Salinity Stress in Biofilm Reactors

Abstract

Biologinen denitrifikaatio on kestävä ratkaisu nitraatin poistamiseen teollisuuden suolapitoisista jätevesistä, jotka ovat peräisin esimerkiksi elintarvikejalostuksesta, vesiviljelystä ja savukaasupesureista. Biofilmireaktorit ovat mahdollinen vaihtoehto prosessin suorituskyvyn ja suolojen sietokyvyn parantamiseksi, mutta biofilmireaktorien optimointi suolapitoisille jätevesille vaatii systemaattista tutkimusta. Lisäksi jätevedet voivat sisältää orgaanisia ja/tai epäorgaanisia elektronien luovuttajia, jotka mahdollistavat autotrofisen ja/tai heterotrofisen denitrifikaation.

Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia metanoli- ja tiosulfaattipohjaisen denitrifikaation potentiaalia ja inhibition sietokykyä suolapitoisten jätevesien käsittelyssä, ilman mikrobien aiempaa altistusta suolaisille olosuhteille. Lisäksi typenpoiston suorituskykyä leijupetibiofilmireaktoreissa (Fluidised Bed Biofilm Reactor, FBBR) ja kantoainereaktoreissa (Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR) tutkittiin. Prosesseja optimoitiin reaktorityypin ja biofilmin kantoaineen valinnan avulla. Lisäksi mallinnettiin biofilmille suolainhibitiokinetiikat kantoainereaktoreissa.

Metanolilla hapettamiseen perustuva denitrifikaatio sieti paremmin epäorgaanisia ioneja kuin tiosulfaatille perustuva denitrifikaatio, ja kloridilla oli molemmille suurin inhiboiva rooli. Myös FBBR:ssä metanolipohjainen denitrifikaatio osoitti korkeampia poistonopeuksia kuin tiosulfaattipohjainen (2.4 vs. 1.2 gN/l/d) korkeammilla suolapitoisuuksilla (6.8% vs. 5.6%). Metanoliin perustuvat denitrifioivat mikrobiyhteisöt olivat vakaampia kuin tiosulfaattiin perustuvat.

Kahden eri kantoaineella kasvavan biofilmin metanolin syöttöön perustuvaa denitrifikaatiota verrattiin MBBR:ssä ja altistuneempi biofilmi kantoaineen onteloissa osoitti korkeampia poistonopeuksia suolapitoisuuksilla <7.5%, kun taas suojatumpi biofilmi kantoaineen huokosissa saavutti vakaan typenpoiston jopa 9.5%:n suolapitoisuudella. Olemassa olevaa biofilmimallia täydennettiin inhibitiokertoimella, ja stabiilin metanolia käyttävän mikrobiyhteisön denitrifikaatiokinetiikka mallinnettiin onnistuneesti. Denitrifikaation toimivuus NO<SUB>x</SUB>-SO<SUB>2</SUB>-pesurijätevesille osoitettiin käyttäen useita orgaanisia yhdisteitä sisältävää sellutehtaan lauhdevettä elektronien lähteenä.

Metanoli- ja tiosulfaattipohjaisella denitrifikaatiolla on potentiaalia teollisuuden suolapitoisten jätevesien käsittelyyn. Inhibitiosietokykyä ja typenpoistokykyä voidaan parantaa valitsemalla biofilmireaktoreita ja sopivia biofilmin kantajia

Denitrification represents a sustainable solution to remove nitrate from saline wastewaters generated by many industrial activities such as food processing, aquaculture, flue gas washing, etc. To improve the process’ performance under salinity inhibition, biofilm reactors could represent an elegant strategy, but a systematic analysis focusing on the reactor system under salinity stress is needed for their optimisation. Moreover, since the electron donors available for the process may vary, the comparison between autotrophic and heterotrophic denitrification is relevant.

The aim of this study was to investigate the potential and inhibition tolerance of methanol-driven and thiosulphate-driven denitrifying bacteria from non-saline sources for the treatment of saline wastewaters. Also, their denitrification performance in fluidised bed biofilm reactors (FBBR) and in moving bed biofilm reactors (MBBR) were studied, optimizing the process via reactor and biofilm carrier selection, and a salinity inhibition modelling strategy was proposed for the biofilm.

Methanol-driven denitrification showed higher tolerance to inorganic ions than thiosulphate-driven, and for both, chloride had the most inhibitory role. This was also observed in the FBBRs, where the former showed higher removal rates (2.4 vs. 1.2 gN/L/d) at higher salinities (6.8 vs 5.6%), with stable denitrifying communities at increasing salinities, than the latter, dependent on <i>Thiobacillus denitrificans</i> activity. In the MBBR, where hollow- and porous- body carriers were compared for methanol-driven denitrification, a more exposed biofilm in the hollows showed higher removal rates at salinities <7.5%, while the less exposed biofilm in the pores had more stable nitrogen removal up to 9.5% salinity. With both carriers, an inhibition factor was implemented in an existing biofilm model and successfully reproduced denitrification kinetics under salinity stress. Eventually, the potential of denitrification for the pre-treatment of NO<SUB>x</SUB>-SO<SUB>2</SUB> scrubber saline wastewater was confirmed, and pulp mill foul condensate as electron donor promoted nitrogen removal under salinity stress.

Overall, this study showed that methanol- and thiosulphate-driven denitrification have potential for the treatment of industrial saline wastewaters, whose salinity tolerance and nitrogen removal performance can be improved by selecting biofilm reactors and optimised with suitable biofilm carriers.