Advantages of intermittently aerated SBR over conventional SBR on nitrogen removal for the treatment of digested piggery wastewater

Abstract

The mass balance analysis of organic carbon were applied.

The IASBR displays higher ratios of denitrificated organic carbon.

The effects of anoxic stress duration on nitrification activity were evaluated.

The anoxia time of 40–80 min achieves more stable nitritation.

The intermittent aeration strategy improved the removal of fluorescent substance.

An intermittently aerated sequencing batch reactor (IASBR) and a traditional sequencing batch reactor (SBR) were parallelly constructed to treat digested piggery wastewater, which was in high NH₄⁺-N concentration but in a low COD/TN ratio. Their pollutant removal performance was compared under COD/TN ratios of 1.6–3.4 d and hydraulic retention times of 5–3 d. The results showed that the IASBR removed TN, NH₄⁺-N and TOC more efficiently than the SBR. The average removal rates of TN, NH₄⁺-N and TOC were 83.1%, 96.5%, and 89.0%, respectively, in the IASBR, significantly higher than the corresponding values of 74.8%, 82.0%, and 86.2% in the SBR. Mass balance of organic carbon revealed that the higher TN removal in the IASBR might be attributed to its efficient utilization of the organic carbon for denitrification, since that 48.7%–52.2% of COD was used for denitrification in the IASBR, higher than the corresponding proportion of 43.1%–47.4% in the SBR. A pre-anoxic process in the IASBR would enhance the ammonium oxidation while restrict the nitrite oxidation. Anoxic duration of 40–80 min should be beneficial for achieving stable nitritation.

Graphical abstract

Keywords

Anoxic stress / Carbon source / Digested piggery wastewater / Intermittently aerated SBR (IASBR) / Total nitrogen

References

[1] Zhao B, Li J, Leu S Y. An innovative wood-chip-framework soil infiltrator for treating anaerobic digested swine wastewater and analysis of the microbial community. Bioresource Technology, 2014, 173: 384–391

[2] Liu R, Chen L J, Wang G R, Ye Z X. On the pollution with antibiotics, heavy metal and conventional indicators in digested wastewater from large-scale pig farms in Jiaxing City, China. Environmental Engineering and Management Journal, 2016, 15(10): 2253–2260

[3] Deng L, Zheng P, Chen Z, Mahmood Q. Improvement in post-treatment of digested swine wastewater. Bioresource Technology, 2008, 99(8): 3136–3145

[4] Yamamoto T, Takaki K, Koyama T, Furukawa K. Long-term stability of partial nitritation of swine wastewater digester liquor and its subsequent treatment by Anammox. Bioresource Technology, 2008, 99(14): 6419–6425

[5] MEPPRC (Ministry Environmental Protection of People’s Republic of China). Discharge Standard of Pollutants for Livestock and Poultry Breeding (draft), 2014. Available online at 

[6] Vázquez-Padín J R, Fernández I, Morales N, Campos J L, Mosquera-Corral A, Méndez R. Autotrophic nitrogen removal at low temperature. Water Science and Technology, 2011, 63(6): 1282–1288

[7] Yao H, Liu H, He Y M, Zhang S J, Sun P Z, Huang C H. Performance of an ANAMMOX reactor treating wastewater generated by antibiotic and starch production processes. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2012, 6(6): 875–883

[8] Kartal B, Kuenen J G, van Loosdrecht M C. Sewage treatment with anammox. Science, 2010, 328(5979): 702–703

[9] Molinuevo B, García M C, Karakashev D, Angelidaki I. Anammox for ammonia removal from pig manure effluents: effect of organic matter content on process performance. Bioresource Technology, 2009, 100(7): 2171–2175

[10] Obaja D, Macé S, Costa J, Sans C, Mata-Alvarez J. Nitrification, denitrification and biological phosphorus removal in piggery wastewater using a sequencing batch reactor. Bioresource Technology, 2003, 87(1): 103–111

[11] Rajagopal R, Rousseau P, Bernet N, Béline F. Combined anaerobic and activated sludge anoxic/oxic treatment for piggery wastewater. Bioresource Technology, 2011, 102(3): 2185–2192

[12] Yang D, Deng L, Zheng D, Wang L, Liu Y. Separation of swine wastewater into different concentration fractions and its contribution to combined anaerobic-aerobic process. Journal of Environmental Management, 2016, 168: 87–93

[13] Yang Y D, Zhang L, Shao H D, Zhang S J, Gu P C, Peng Y Z. Enhanced nutrients removal from municipal wastewater through biological phosphorus removal followed by partial nitritation/anammox. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2017, 11(2): 8

[14] Yang J, Trela J, Zubrowska-Sudol M, Plaza E. Intermittent aeration in one-stage partial nitritation/anammox process. Ecological Engineering, 2015, 75: 413–420

[15] Bortone G, Libelli S M. Anoxic phosphate uptake in the dephanox process. Water Science and Technology, 1999, 40(4–5): 177–185

[16] Zhang M, Lawlor P G, Wu G, Lynch B, Zhan X. Partial nitrification and nutrient removal in intermittently aerated sequencing batch reactors treating separated digestate liquid after anaerobic digestion of pig manure. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2011, 34(9): 1049–1056

[17] Pan M, Henry L G, Liu R, Huang X, Zhan X M. Nitrogen removal from slaughterhouse wastewater through partial nitrification followed by denitrification in intermittently aerated sequencing batch reactors at 11 degreeC. Environmental Technology, 2014, 35(1-4): 470–477

[18] Song X Y, Liu R, Shui Y, Kawagishi T, Zhan X M, Chen L J. Stability of Short-cut Nitrification Nitrogen Removal in Digested Piggery Wastewater with an Intermittently Aerated Sequencing Batch Reactor. Environmental Sciences, 2016, 37(5): 1873–1879 (in Chinese)

[19] MEPPRC (Ministry Environmental Protection of People’s Republic of China). Standard Methods for Water and Wastewater Monitoring and Analysis, 4th ed. Beijing: China Environmental Science Press, 2002, 238–239; 252–256; 260–263; 266–269; 345–356 (in Chinese)

[20] Yu L F, Wang S W, Guo T C, Peng D C. Nitrifiers accumulation with reject water and bio-augmentation for nitrification of sewage at short SRT. Environmental Sciences, 2008, 29(2): 332–337 (in Chinese)

[21] Rotthauwe J H, Witzel K P, Liesack W. The ammonia monooxygenase structural gene amoA as a functional marker: molecular fine-scale analysis of natural ammonia-oxidizing populations. Applied and Environmental Microbiology, 1997, 63(12): 4704–4712 

[22] Huang Z, Gedalanga P B, Asvapathanagul P, Olson B H. Influence of physicochemical and operational parameters on Nitrobacter and Nitrospira communities in an aerobic activated sludge bioreactor. Water Research, 2010, 44(15): 4351–4358

[23] Ovreås L, Forney L, Daae F L, Torsvik V. Distribution of bacterioplankton in meromictic Lake Saelenvannet, as determined by denaturing gradient gel electrophoresis of PCR-amplified gene fragments coding for 16S rRNA. Applied and Environmental Microbiology, 1997, 63(9): 3367–3373 

[24] Baek K, Park C, Oh H M, Yoon B D, Kim H S. Diversity and abundance of ammonia-oxidizing bacteria in activated sludge treating different types of wastewater. Journal of Microbiology and Biotechnology, 2010, 20(7): 1128–1133

[25] Li J, Meng J, Zhao B W, Ai B L. Main influence factors for shortcut nitrification in a SBR treating anaerobic digested piggery wastewater. Journal of Harbin Institute of Technology, 2014, 46(8): 27–33 (in Chinese)

[26] Anthonisen A C, Loehr R C, Prakasam T B S, Srinath E G. Inhibition of nitrification by ammonia and nitrous acid. Journal- Water Pollution Control Federation, 1976, 48(5): 835–852

[27] Grady C P L, Daigger J G T, Lim H C. Biological Wastewater Treatment. 2nd ed. American: Marcel Dekker Inc., 1999, 397–400

[28] Wentzel M C, Loewenthal R E, Ekama G A, Marais G R. Enhanced polyphosphate organism cultures in activated sludge systems—Part I: Enhanced culture development. Water S.A., 1988, 14(2): 81–92

[29] Wentzel M C, Ekama G A, Loewenthal R E, Dold P L. Enhanced polyphosphate organism cultures in activated sludge systems—Part II: Experimental behaviour. Water S.A., 1989, 15(2): 71–88

[30] Wentzel M C, Dold P L, Ekama G A, Marais G R. Enhanced polyphosphate organism cultures in activated sludge systems- Part III: Kinetic model. Water S.A., 1989, 15(2): 89–102

[31] Fu G K, Zhang C L, Yu X Q, Zhang Z, Zhou Q. Research on the optimum operation strategy for deficient carbon source urban sewage treatment plants. Journal of Hunan Univerisity, 2012, 39(8): 61–66 (Natural Sciences)

[32] 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

[33] Nowak O, Svardal K, Schweighofer P. The dynamic behaviour of nitrifying activated sludge systems influenced by inhibiting wastewater compounds. Water Science and Technology, 1995, 31(2): 115–124

[34] Tappe W, Laverman A, Bohland M, Braster M, Rittershaus S, Groeneweg J, van Verseveld H W. Maintenance energy demand and starvation recovery dynamics of Nitrosomonas europaea and Nitrobacter winogradskyi cultivated in a retentostat with complete biomass retention. Applied and Environmental Microbiology, 1999, 65(6): 2471–2477 

[35] Chen W, Westerhoff P, Leenheer J A, Booksh K. Fluorescence excitation-emission matrix regional integration to quantify spectra for dissolved organic matter. Environmental Science & Technology, 2003, 37(24): 5701–5710

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer–Verlag Berlin Heidelberg