Structure and formation of anoxic granular sludge —A string-bag hypothesis

Abstract

Anoxic granular sludge was developed in a laboratory-scale sequencing batch reactor which was fed with sodium acetate and sodium nitrate as electron donor and accepter. The sludge in the reactor was almost granulated after approximately 90 days of cultivation. In the present study, a detailed examination of surface morphology and internal structure of anoxic granular sludge was conducted using scanning electron microscope. It showed that the bacteria inside the granules had a uniform, coccus-like shape. By contrast, filamentous bacteria were predominant outside the granules. These bacteria were woven and had wrapped the coccus bacteria together to form granules. The small amounts of DO in the liquid bulk promoted the growth of filamentous bacteria on the surface of the granules. A string-bag hypothesis was proposed to elucidate the structure and formation of the anoxic granular sludge. It suggested that micro-aeration could be a method to promote granulation in practical anoxic treatment systems.

Keywords

granulation / sequencing batch reactor / anoxic sludge / scanning electron microscope / filamentous bacteria

References

[1] Lettinga G, Pette K C, de Vletter R, Wind E. Anaerobic treatment of beet sugar wastewater on semi-technical scale. CSM-report, Amsterdam, The Netherlands, 1977

[2] Lettinga G, van Velsen A F M, Hobma S W, de Zeeuw W, Klapwijk A. Use of the upflow sludge blanket (USB) reactor concept for biological waste water treatment especially for anaerobic treatment. Biotechnology and Bioengineering, 1980, 22(4): 699–734

[3] Morgenroth E, Sherden T, van Loosdrecht M C M, Heijnen J J, Wilderer P A. Aerobic granular sludge in a sequencing batch reactor. Water Research, 1997, 31(12): 3191–3194

[4] Beun J J, Hendriks A, van Loosdrecht M C M, Morgenroth E, Wilderer P A, Heijnen J J. Aerobic granulation in a sequencing batch reactor. Water Research, 1999, 33(10): 2283–2290

[5] Peng D C, Bernet N, Delgenes J P, Moletta R. Aerobic granular sludge — A case report. Water Research, 1999, 33(3): 890–893

[6] Hulshoff Pol L W, de Zeeuw W J, Velzeboer C T M, Lettinga G. Granulation in UASB reactors. Water Science and Technology, 1983, 15(8/9): 291–304

[7] Morgan J W, Evison L M, Forster C F. The internal architecture of anaerobic sludge granules. Journal of Chemical Technology and Biotechnology (Oxford, Oxfordshire), 1991, 50(2): 211–226

[8] Pereboom J H F. Size distribution model for methanogenic granules from full scale UASB and IC reactors. Water Science and Technology, 1994, 30(12): 211–221

[9] Wu W, Jain M K, Zeikus J G. Formation of fatty acid-degrading, anaerobic granules by defined species. Applied and Environmental Microbiology, 1996, 62(6): 2037–2044

[10] Zhu J, Hu J, Gu X. The bacterial numeration and the observation of a new syntrophic association for granular sludge. Water Science and Technology, 1997, 36(6/7): 133–140

[11] Liu Y, Tay J H. The essential role of hydrodynamic shear force in the formation of biofilm and granular sludge. Water Research, 2002, 36(7): 1653–1665

[12] Tay J H, Liu Q S, Liu Y. The role of cellular polysaccharides in the formation and stability of aerobic granules. Letters in Applied Microbiology, 2001, 33(3): 222–226

[13] Wan J, Sperandio M. Possible role of denitrification on aerobic granular sludge formation in sequencing batch reactor. Chemosphere, 2009, 75(2): 220–227

[14] Wan J, Bessière Y, Spérandio M. Alternating anoxic feast/aerobic famine condition for improving granular sludge formation in sequencing batch airlift reactor at reduced aeration rate. Water Research, 2009, 43(20): 5097–5108

[15] Nancharaiah Y V, Venugopalan V P. Denitrification of synthetic concentrated nitrate wastes by aerobic granular sludge under anoxic conditions. Chemosphere, 2011, 85(4): 683–688

[16] Jin X B, Wang F, Liu G H, Yan N. A key cultivation technology for denitrifying granular sludge. Process Biochemistry, 2012, 47(7): 1122–1128

[17] Frølund B, Palmgren R, Keiding K, Nielsen P H. Extraction of extracellular polymers from activated sludge using a cation exchange resin. Water Research, 1996, 30(8): 1749–1758

[18] Laguna A, Ouattara A, Gonzalez R O, Baron O, Famá G, Mamouni R E L, Guiot S, Monroy O, Macarie H. A simple and low cost technique for determining the granulometry of upflow anaerobic sludge blanket reactor sludge. Water Science and Technology, 1999, 40(8): 1–8

[19] APHA. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 20th ed. American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington, DC, 1998

[20] Green M, Tarre S, Schniier M, Ogdan B. Groundwater denitrification using an upflow sludge blanket reactor. Water Research, 1994, 28(3): 631–637

[21] Endo G, Tohya Y. Ecological study on anaerobic sludge bulking caused by filamentous bacterial growth in an anaerobic contact process. Water Science and Technology, 1988, 20(11–12): 205–211

[22] Huser B A, Wuhrmann K, Zehnder A J B. Methanothrix soehngenii gen. nov. sp. nov., a new acetotrophic non-hydrogen-oxidizing methane bacterium. Archives of Microbiology, 1982, 132(1): 1–9

[23] Sekiguchi Y, Yamada T, Hanada S, Ohashi A, Harada H, Kamagata Y. Anaerolinea thermophila gen. nov., sp. nov. and Caldilinea aerophila gen. nov., sp. nov., novel filamentous thermophiles that represent a previously uncultured lineage of the domain Bacteria at the subphylum level. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 2003, 53(Pt 6): 1843–1851

[24] Yamada T, Yamauchi T, Shiraishi K, Hugenholtz P, Ohashi A, Harada H, Kamagata Y, Nakamura K, Sekiguchi Y. Characterization of filamentous bacteria, belonging to candidate phylum KSB3, that are associated with bulking in methanogenic granular sludges. International Society for Microbial Ecology, 2007, 1(3): 246–255

[25] Jenkins D, Richard M G, Daigger G T. Manual on the Causes and Control of Activated Sludge Bulking, Foaming, and Other Solids Separation Problems. UK: IWA Publishing, 2004

[26] Nielsen P H, Kragelund C, Seviour R J, Nielsen J L. Identity and ecophysiology of filamentous bacteria in activated sludge. FEMS Microbiology Reviews, 2009, 33(6): 969–998

[27] Wilderer P A, Irvine R L, Goronszy M C. Sequencing Batch Reactor Technology. UK: IWA Publishing, 2000

[28] van Loosdrecht M C M, Martins A M, Ekama G A. Bulking sludge. In: Henze M, ed. Biological Wastewater Treatment: Principles, Modelling and Design. UK: IWA Publishing, 2008

[29] Wan J F, Mozo I, Filali A, Liné A, Bessière Y, Spérandio M. Evolution of bioaggregate strength during aerobic granular sludge formation.  Biochemical Engineering  Journal,  2011,  58–59:  69–78

[30] Tay J H, Liu Q S, Liu Y. Microscopic observation of aerobic granulation in sequential aerobic sludge blanket reactor. Journal of Applied Microbiology, 2001, 91(1): 168–175

Acknowledgements

The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50838005).

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg