Microprofiles of activated sludge aggregates using microelectrodes in completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON) reactor

Abstract

Microsensor measurements and fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis were combined to investigate the microbial populations and activities in a laboratory-scale sequencing batch reactor (SBR) for completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON). Fed with synthetic wastewater rich in ammonia, the SBR removed 82.5±5.4% of influent nitrogen and a maximum nitrogen-removal rate of 0.52 kgN·m⁻³·d⁻¹ was achieved. The FISH analysis revealed that aerobic ammonium-oxidizing bacteria (AerAOB) Nitrosomonas and anaerobic ammonium-oxidizing bacteria (AnAOB) dominated the community. To quantify the microbial activities inside the sludge aggregates, microprofiles were measured using pH, dissolved oxygen (DO), {\mathrm{NH}}_4^{+}, \mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}^{-} and \mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-} microelectrodes. In the outer layer of sludge aggregates (0–700 μm), nitrite-oxidizing bacteria (NOB) showed high activity with 4.1 μmol·cm⁻³·h⁻¹ of maximum nitrate production rate under the condition of DO concentration higher than 3.3 mg·L⁻¹. Maximum AerAOB activity was detected in the middle layer (depths around 1700 μm) where DO concentration was 1.1 mg·L⁻¹. In the inner layer (2200–3500 μm), where DO concentration was below 0.9 mg·L⁻¹, AnAOB activity was detected. We thus showed that information obtained from microscopic views can be helpful in optimizing the SBR performance.

Keywords

aerobic ammonium-oxidizing bacteria / anaerobic ammonium-oxidizing bacteria / nitrite-oxidizing bacteria / microelectrodes / CANON

References

[1] Malik O A, Hsu A, Johnson L A, de Sherbinin A. A global indicator of wastewater treatment to inform the Sustainable Development Goals (SDGs). Environmental Science & Policy, 2015, 48: 172–185

[2] Hendrickx T L G, Wang Y, Kampman C, Zeeman G, Temmink H, Buisman C J N. Autotrophic nitrogen removal from low strength waste water at low temperature. Water Research, 2012, 46(7): 2187–2193

[3] Desmidt E, Monballiu A, De Clippeleir H, Verstraete W, Meesschaert B D. Autotrophic nitrogen removal after ureolytic phosphate precipitation to remove both endogenous and exogenous nitrogen. Water Science and Technology, 2013, 67(7): 1425–1433

[4] Jetten M S, Strous M, van de Pas-Schoonen K T, Schalk J, van Dongen U G, van de Graaf A A, Logemann S, Muyzer G, van Loosdrecht M C, Kuenen J G. The anaerobic oxidation of ammonium. FEMS Microbiology Reviews, 1998, 22(5): 421–437

[5] Liang Y, Li D, Zhang X, Zeng H, Yang Z, Cui S, Zhang J. Stability and nitrite-oxidizing bacteria community structure in different high-rate CANON reactors. Bioresource Technology, 2014, 175C: 189–194

[6] Kumar M, Lin J G. Co-existence of anammox and denitrification for simultaneous nitrogen and carbon removal—Strategies and issues. Journal of Hazardous Materials, 2010, 178(1−3): 1–9

[7] Third K A, Sliekers A O, Kuenen J G, Jetten M S M. The CANON system (completely autotrophic nitrogen-removal over nitrite) under ammonium limitation: interaction and competition between three groups of bacteria. Systematic and Applied Microbiology, 2001, 24(4): 588–596

[8] Cho S, Fujii N, Lee T, Okabe S. Development of a simultaneous partial nitrification and anaerobic ammonia oxidation process in a single reactor. Bioresource Technology, 2011, 102(2): 652–659

[9] Zhang X, Li D, Liang Y, Zhang Y, Fan D, Zhang J. Application of membrane bioreactor for completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON) process. Chemosphere, 2013, 93(11): 2832–2838

[10] Wang L, Zheng P, Xing Y, Li W, Yang J, Abbas G, Liu S, He Z, Zhang J, Zhang H, Lu H. Effect of particle size on the performance of autotrophic nitrogen removal in the granular sludge bed reactor and microbiological mechanisms. Bioresource Technology, 2014, 157: 240–246

[11] Vázquez-Padín J, Mosquera-Corral A, Campos J L, Méndez R, Revsbech N P. Microbial community distribution and activity dynamics of granular biomass in a CANON reactor. Water Research, 2010, 44(15): 4359–4370

[12] Kwak W, McCarty P L, Bae J, Huang Y T, Lee P H. Efficient single-stage autotrophic nitrogen removal with dilute wastewater through oxygen supply control. Bioresource Technology, 2012, 123: 400–405

[13] Chang X, Li D, Liang Y, Yang Z, Cui S, Liu T, Zeng H, Zhang J. Performance of a completely autotrophic nitrogen removal over nitrite process for treating wastewater with different substrates at ambient temperature. Journal of Environmental Sciences (China), 2013, 25(4): 688–697

[14] Qiao S, Tian T, Duan X, Zhou J, Cheng Y. Novel single-stage autotrophic nitrogen removal via co-immobilizing partial nitrifying and anammox biomass. Chemical Engineering Journal, 2013, 230: 19–26

[15] Xiao Y, Wu S, Yang Z H, Wang Z J, Yan C Z, Zhao F. In situ probing the effect of potentials on the microenvironment of heterotrophic denitrification biofilm with microelectrodes. Chemosphere, 2013, 93(7): 1295–1300

[16] Li B, Bishop P L. Micro-profiles of activated sludge floc determined using microelectrodes. Water Research, 2004, 38(5): 1248–1258

[17] Lv Y, Wang L, Sun T, Wang X, Yang Y, Wang Z. Autotrophic nitrogen removal discovered in suspended nitritation system. Chemosphere, 2010, 79(2): 180–185

[18] American Public Health Association (APHA). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21st ed. American Water Works Association and Water Pollution Control Federation, Washington DC, USA, 2005

[19] Schmid M, Schmitz-Esser S, Jetten M, Wagner M. 16S-23S rDNA intergenic spacer and 23S rDNA of anaerobic ammonium-oxidizing bacteria: implications for phylogeny and in situ detection. Environmental Microbiology, 2001, 3(7): 450–459

[20] Vilajeliu-Pons A, Puig S, Pous N, Salcedo-Dávila I, Bañeras L, Balaguer M D, Colprim J. Microbiome characterization of MFCs used for the treatment of swine manure. Journal of Hazardous Materials, 2015, 288: 60–68

[21] Daims H, Nielsen J L, Nielsen P H, Schleifer K H, Wagner M. In situ characterization of Nitrospira-like nitrite-oxidizing bacteria active in wastewater treatment plants. Applied and Environmental Microbiology, 2001, 67(11): 5273–5284

[22] Rongsayamanont C, Limpiyakorn T, Khan E. Effects of inoculum type and bulk dissolved oxygen concentration on achieving partial nitrification by entrapped-cell-based reactors. Bioresource Technology, 2014, 164: 254–263

[23] Figueroa M, Vázquez-Padín J R, Mosquera-Corral A, Campos J L, Méndez R. Is the CANON reactor an alternative for nitrogen removal from pre-treated swine slurry? Biochemical Engineering Journal, 2012, 65(15): 23–29

[24] Wang L, Lv Y, Wang X, Yang Y, Bai X. Micro-analysis of nitrogen transport and conversion inside activated sludge flocs using microelectrodes. Frontiers of Environmental Science & Engineering in China, 2011, 5(4): 633–638

[25] De Beer D, Schramm A, Santegoeds C M, Kühl M. A nitrite microsensor for profiling environmental biofilms. Applied and Environmental Microbiology, 1997, 63(3): 973–977

[26] Ploug H, Jorgensen B B. A net-jet flow system for mass transfer and microsensor studies of sinking aggregates. Marine Ecology Progress Series, 1999, 176: 279–290

[27] Okabe S, Oshiki M, Takahashi Y, Satoh H. N₂O emission from a partial nitrification-anammox process and identification of a key biological process of N₂O emission from anammox granules. Water Research, 2011, 45(19): 6461–6470

[28] Keluskar R, Nerurkar A, Desai A. Development of a simultaneous partial nitrification, anaerobic ammonia oxidation and denitrification (SNAD) bench scale process for removal of ammonia from effluent of a fertilizer industry. Bioresource Technology, 2013, 130: 390–397

[29] Daverey A, Hung N T, Dutta K, Lin J G. Ambient temperature SNAD process treating anaerobic digester liquor of swine wastewater. Bioresource Technology, 2013, 141: 191–198

[30] Liang Y, Li D, Zhang X, Zeng H, Yang Z, Zhang J. Microbial characteristics and nitrogen removal of simultaneous partial nitrification, anammox and denitrification (SNAD) process treating low C/N ratio sewage. Bioresource Technology, 2014, 169: 103–109

[31] Wang L, Zheng P, Chen T, Chen J, Xing Y, Ji Q, Zhang M, Zhang J. Performance of autotrophic nitrogen removal in the granular sludge bed reactor. Bioresource Technology, 2012, 123: 78–85

Acknowledgements

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51108367), Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (No. 20116120120009), Natural Science Foundation of Shaanxi Province (No. 2014JQ7243) and innovative research team of Xi’an University of Architecture and Technology.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg