Investigation of microbial communities during implementation of engineering approaches for the reduction of excess sludge produced in wastewater treatment plants

Abstract

Η παρούσα έρευνα εξετάζει καινοτόμες προσεγγίσεις για την ελαχιστοποίηση της περίσσειας ιλύος, με έμφαση στην εφαρμογή χημικών αποσυζευκτών και οζόνωσης σε συστήματα βιοαντιδραστήρων μεμβρανών (MBR). Οι χημικοί αποσυζευκτές, όπως η 3-χλωροφαινόλη (m-chlorophenol - mCP), η 4-νιτροφαινόλη (p-nitrophenol - pNP) κ.ά., έχει αποδειχθεί ότι μειώνουν αποτελεσματικά την περίσσεια ιλύος επηρεάζοντας την οξειδωτική φωσφορυλίωση, αποσυνδέοντας την παραγωγή ενέργειας από τη σύνθεση μικροβιακής βιομάζας. Αυτή η βιοχημική παρέμβαση όχι μόνο μειώνει την απόδοση της ενεργού ιλύος που παράγεται, αλλά επηρεάζει επίσης τα μικροβιακά μεταβολικά μονοπάτια, οδηγώντας στη προσαρμογή εξειδικευμένων μικροβιακών ομάδων και εντέλει σε αλλαγή της δομής της μικροβιακής κοινότητας. Η αλληλούχηση υψηλής απόδοσης γονιδίων 16S rRNA αποκάλυψε δυναμικές αλλαγές στον πληθυσμό βακτηρίων κατά την εφαρμογή των εξεταζόμενων χημικών αποσυζευκτών, επάγοντας σημαντικές επιπτώσεις στη μικροβιακή ποικιλότητα και στη μεταβολική δραστηριότητα της ιλύος. Η οζόνωση, μια συμπληρωματική χημική μέθοδος επεξεργασίας σε μονάδες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, περιλαμβάνει την εφαρμογή όζοντος στο μικτό υγρό, οδηγώντας στην οξειδωτική διάσπαση σύνθετων οργανικών ενώσεων. Η διαδικασία αυτή όχι μόνο ενισχύει τη βιοαποδομησιμότητα της ιλύος, οδηγώντας σε υψηλή μείωση της παραγόμενης ιλύος, αλλά συμβάλλει επίσης σε αλλαγή της δομής της μικροβιακής κοινότητας αναστέλλοντας επιλεκτικά ορισμένες ταξινομικές ομάδες βακτηρίων, ενώ προωθεί την ενίσχυση γενών ανθεκτικών στην οζόνωση. Μικροβιακές αναλύσεις έδειξαν ότι η προσθήκη οζονισμένης ιλύος μείωσε τις εξωκυτταρικές πολυμερείς ουσίες (Extracellular Polymeric Substances - EPS) και τα διαλυτά μικροβιακά προϊόντα (Soluble Microbial Products - SMP), που συμβάλλουν στο σχηματισμό βιοϋμενίου και στην έμφραξη της μεμβράνης. Ο συνδυασμός της οζόνωσης με την τεχνολογία MBR οδήγησε σε καλύτερη απόδοση επεξεργασίας διατηρώντας υψηλή ποιότητα εκροής, ενώ ελαχιστοποίησε την παραγόμενη περίσσεια βιοστερεών και τη μικροβιακή έμφραξη της μεμβράνης. Η υιοθέτηση αυτών των προσεγγίσεων βιοχημικής μηχανικής στην τεχνολογία MBR μπορεί να αντιμετωπίσει βασικές λειτουργικές προκλήσεις, όπως η έμφραξη των μεμβρανών των συστημάτων αυτών. Η παρακολούθηση των φυσικοχημικών παραμέτρων έπαιξε σημαντικό ρόλο στην αξιολόγηση της σταθερότητας και της απόδοσης του συστήματος MBR. Πραγματοποιήθηκε παρακολούθηση σε σταθερή βάση του διαλυμένου οξυγόνου (Dissolved Oxygen - DO), του χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (Chemical Oxygen Demand - COD), του ολικού κατά Kjeldahl αζώτου (Total Kjeldahl Nitrogen - TKN) και του pH για τη βελτιστοποίηση των λειτουργικών παραμέτρων. Επιπλέον, η παρακολούθηση των συγκεντρώσεων EPS και SMP παρείχε χρήσιμες πληροφορίες για τυχόν έμφραξη της μεμβράνης και τη μεταβολική απόκριση του μικροβιακού πληθυσμού. Με τη βελτιστοποίηση της ηλικίας ιλύος (Sludge Retention Time - SRT) και τη εφαρμογή ελεγχόμενων επιπέδων διαλυμένου οξυγόνου, μεγιστοποιήθηκαν οι επιδόσεις του συστήματος MBR όσον αφορά την απομάκρυνση θρεπτικών ουσιών, την πρόληψη της βιολογικής έμφραξης της μεμβράνης και τη μείωση της παραγόμενης περίσσειας ιλύος. Η μείωση της διαμεμβρανικής πίεσης (Transmembrane Pressure - TMP) μετά την προσθήκη οζονισμένης ιλύος ανέδειξε τη θετική επίδραση της οξειδωτικής αυτής μεθόδου στην αντιμετώπιση της έμφραξης της μεμβράνης. Επιπλέον, η βελτιστοποίηση της ηλικίας ιλύος ενίσχυσε συνεργιστικά την αποτελεσματικότητα των εφαρμοζόμενων χημικών μεθόδων. Παρατηρήθηκε δραστική μείωση της συγκέντρωσης των βιοστερεών από 6500 mg/L και 5650 mg/L πριν από την προσθήκη pNP και mCP, σε 4070 mg/L και 3540 mg/L αμέσως μετά την προσθήκη αυτών των μεταβολικών αποσυζευκτών, η οποία συγκέντρωση βιοστερεών, ωστόσο, επανήλθε στις αρχικές τιμές μέσα σε διάστημα 10-12 ημερών, ενδεχομένως μέσω επιλεκτικής ανθεκτικότητας (ή/και μηχανισμούς αποδόμησης στην περίπτωση του pNP) ως τρόποι προσαρμογής στην παρουσία pNP και mCP. Η προσαρμογή αυτή υποδηλώνει ότι οι μικροβιακές κοινότητες της ιλύος προσαρμόστηκαν και εμφάνισαν ανθεκτικότητα κατά την έκθεση σε αυτούς τους μεταβολικούς αποσυζευκτές, παρατηρώντας ανάκαμψη στη σύνθεση της βιομάζας μετά από μια σύντομη περίοδο αναστολής. Η προσθήκη pNP δεν επηρέασε την απόδοση απομάκρυνσης COD (μέση απόδοση απομάκρυνσης COD ίση με 98% πριν και μετά την προσθήκη pNP), αν και η προσθήκη mCP οδήγησε σε σημαντική αύξηση της συγκέντρωσης COD τόσο στην εισροή όσο και στην εκροή του συστήματος, λόγω της πιο ανθεκτικής δομής αυτού του μορίου, το οποίο φαίνεται να ανθίσταται στη μικροβιακή διάσπαση σε σύγκριση με την pNP. Ωστόσο, κατά μέσο όρο 672 mg/L και 669 mg/L, καθώς και 847 mg/L και 642 mg/L COD πριν και μετά την προσθήκη αποζευκτή απομακρύνθηκαν στις περιπτώσεις της προσθήκης pNP και mCP αντίστοιχα, υποδεικνύοντας ότι η απομάκρυνση του COD του υπό επεξεργασία υγρού αποβλήτου (εξαιρουμένου του προστιθέμενου mCP) δεν επηρεάστηκε από την προσθήκη του αποζευκτή. Στην περίπτωση της pNP, η αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης TKN και NH₄⁺-N μειώθηκε σημαντικά αμέσως μετά την προσθήκη του αποσυζευκτή, αν και με αντιστρεπτό τρόπο, καθώς οι νιτροποιητές αποκατέστησαν τη δραστηριότητα οξείδωσης της αμμωνίας μία εβδομάδα μετά την εφαρμογή της pNP. Όσον αφορά την προσθήκη mCP, σημειώθηκε εντονότερη αναστολή της νιτροποιητικής δραστηριότητας, αλλά επίσης με αντιστρεπτό τρόπο, μετά όμως από πιο παρατεταμένο χρονικό διάστημα. Όσον αφορά την προσθήκη pNP, παρατηρήθηκε μια αρχική μείωση των συγκεντρώσεων των πρωτεϊνικών SMP και EPS, η οποία σταδιακά σταθεροποιήθηκε, υποδεικνύοντας μικροβιακή διαταραχή που ακολουθήθηκε από προσαρμογή. Συγκριτικά, η προσθήκη mCP οδήγησε σε ακόμη πιο έντονη επίδραση στα εκλυόμενα SMP και EPS, ιδίως εκείνων πρωτεϊνικής φύσεως. Η προσθήκη pNP και mCP οδήγησε σε σημαντικές μεταβολές στη δομή των μικροβιακών κοινοτήτων, αν και αυτές διέφεραν σημαντικά ως προς την έκταση και τις μικροβιακές ομάδες που επηρεάστηκαν. Για την pNP, παρατηρήθηκαν μεταβολές κυρίως στη σχετική αφθονία των Bacteroidota (συν. Bacteroidetes), των Gammaproteobacteria και των Bacillota (συν. Firmicutes). Ειδικότερα, τα νιτροποιητικά βακτήρια διατήρησαν τη σχετική αφθονία τους, ακόμη και όταν η δραστηριότητά τους αναστάλθηκε προσωρινά. Η εκτίμηση της β-ποικιλότητας έδειξε σημαντική αλλαγή στη δομή της κοινότητας βακτηρίων μετά την προσθήκη pNP, γεγονός που αποδίδεται στην παροδική αναστολή που προκάλεσε η προσθήκη pNP. Γένη βακτηρίων που συμμετέχουν στην αποδόμηση της νιτροφαινόλης, όπως μέλη των γενών Clostridium, Cytophaga και Pseudomonas, ενισχύθηκαν μετά την προσθήκη pNP. Συγκριτικά, η προσθήκη mCP οδήγησε σε πιο έντονες αλλαγές στη μικροβιακή ποικιλότητα και δομή, όπως αποδεικνύεται από τη σημαντική μείωση των δεικτών βιοποικιλότητας. Επίσης, σημειώθηκε εντονότερη αναστολή των νιτροποιητών. Ειδικότερα, δεν ανιχνεύθηκαν μέλη των γενών Nitrosomonas και Nitrospira μετά την προσθήκη mCP, υποδεικνύοντας ότι η mCP προκάλεσε σοβαρή αναστολή στις ταξινομικές αυτές ομάδες βακτηρίων. Η προσθήκη mCP ευνόησε τα ανθεκτικά σε αυτήν γένη, όπως είναι μέλη των γενών Pseudomonas και Arcanobacterium, αναδεικνύοντας την επιλεκτική πίεση που ασκείται στις μικροβιακές κοινότητες της ενεργού ιλύος από την mCP, οδηγώντας στην επιβίωση και κυριαρχία των πιο ανθεκτικών στις χλωροφαινόλες, ταξινομικών ομάδων. Η οζόνωση οδήγησε στην οξειδωτική διάσπαση ανθεκτικών συστατικών της οργανικής ύλης, ενισχύοντας τη βιοαποδομησιμότητα της ιλύος και τη διάσπαση θρεπτικών συστατικών. Τα αποτελέσματα έδειξαν μείωση κατά 38% των εξωκυτταρικών πολυμερών ουσιών (EPS) και μείωση κατά 32% των διαλυτών μικροβιακών προϊόντων (SMP), βασικών παραγόντων που συμβάλλουν στο σχηματισμό βιοϋμενίου και στην έμφραξη της μεμβράνης. Ο συνδυασμός της οζόνωσης και της τεχνολογίας MBR βελτίωσε την απόδοση του συστήματος, επιτυγχάνοντας ποσοστά απομάκρυνσης COD και TKN άνω του 95%. Η οζόνωση της περίσσειας ιλύος και η επιστροφή της στον MBR τμηματικά επέτρεψε τη μείωση των βιοστερεών του μεικτού υγρού από μια μέγιστη τιμή 9,8 g/L πριν από την προσθήκη, σε μια μέση συγκέντρωση βιοστερεών 5,5 ± 0,2 g/L μετά την προσθήκη οζονισμένης ιλύος, διατηρώντας μια σταθερή συγκέντρωση βιοστερεών για παρατεταμένη χρονική περίοδο. Όσον αφορά την προσθήκη οζονισμένης ιλύος, τα κυρίαρχα φύλα στον MBR ήταν τα Pseudomonadota και Bacteroidota, ακολουθούμενα από τα Planctomycetota, Actinomycetota και Chloroflexota. Τα γένη Lewinella και Methylophilus ήταν κυρίαρχα πριν από την προσθήκη οζονισμένης ιλύος, ωστόσο, μετά την προσθήκη, εντός του φύλου Bacteroidota, παρατηρήθηκε σημαντική διαδοχή, με τα Aureliella, Flavobacterium και Chryseosolibacter να γίνονται κυρίαρχα, σε σχέση με τα Lewinella. Η ανάλυση β-ποικιλότητας αποκάλυψε μια σημαντική μετατόπιση στη δομή της κοινότητας βακτηρίων, η οποία σταθεροποιήθηκε εντός 10 ημερών μετά την τμηματική προσθήκη οζονισμένης ιλύος. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι νιτροποιητικές κοινότητες παρέμειναν ανεπηρέαστες, γεγονός που υποδηλώνει ότι είναι ανθεκτικές σε μέτριες συγκεντρώσεις όζοντος. Τα ευρήματα αυτά υπογραμμίζουν τη δυνατότητα εφαρμογής χημικών αποσυζευκτών και τμηματικής προσθήκης οζονισμένης ιλύος για την προώθηση της τεχνολογίας MBR. Ο έλεγχος της βιοεπεξεργασίας σε συνδυασμό με τις γνώσεις που αποκτήθηκαν για τις μικροβιακές κοινότητες κατά την εφαρμογή των παραπάνω μεθόδων ελέγχου της περίσσειας ιλύος συνέβαλαν στην επίτευξη βελτιωμένης απόδοσης επεξεργασίας, μειωμένης παραγωγής βιοστερεών και βελτιωμένης σταθερότητας του συστήματος MBR, ανοίγοντας το δρόμο για πιο βιώσιμες και οικονομικά αποδοτικές λύσεις επεξεργασίας υγρών αποβλήτων.

Keywords

Identifiers

DOI

10.12681/eadd/59561

Journal

Unknown journal

Year

2025