Impact of dissolved oxygen on the production of nitrous oxide in biological aerated filters

Highlights

The dominant Cloacibacterium normanense may be responsible for N₂O production.

N₂O concentrations varied along the biofilm depth depending on the DO levels.

Low DO concentration leads to high N₂O production rate.

Abstract

Polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) and microelectrode technology were employed to evaluate the Nitrous oxide (N₂O) production in biological aerated filters (BAFs) under varied dissolved oxygen (DO) concentrations during treating wastewater under laboratory scale. The average yield of gasous N₂O showed more than 4-fold increase when the DO levels were reduced from 6.0 to 2.0 mg·L⁻¹, indicating that low DO may drive N₂O generation. PCR-DGGE results revealed that Nitratifractor salsuginis were dominant and may be responsible for N₂O emission from the BAFs system. While at a low DO concentration (2.0 mg·L⁻¹), Flavobacterium urocaniciphilum might play a role. When DO concentration was the limiting factor (reduced from 6.0 to 2.0 mg·L⁻¹) for nitrification, it reduced NO₂⁻-N oxidation as well as the total nitrification. The data from this study contribute to explain how N₂O production changes in response to DO concentration, and may be helpful for reduction of N₂O through regulation of DO levels.

Graphical abstract

Keywords

Nitrous oxide / Biological aerated filter / Microelectrode / Dissolved oxygen / Biofilm

References

[1] Garrido J M, van Benthum W A, van Loosdrecht M C, Heijnen J J. Influence of dissolved oxygen concentration on nitrite accumulation in a biofilm airlift suspension reactor. Biotechnology and Bioengineering, 1997, 53(2): 168–178

[2] Osada T, Shiraishi M, Hasegawa T, Kawahara H. Methane, nitrous oxide and ammonia generation in full-scale swine wastewater purification facilities. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2017, 11(3): 10–17

[3] Wunderlin P, Mohn J, Joss A, Emmenegger L, Siegrist H. Mechanisms of N₂O production in biological wastewater treatment under nitrifying and denitrifying conditions. Water Research, 2012, 46(4): 1027–1037

[4] Tsuneda S, Mikami M, Kimochi Y, Hirata A. Effect of salinity on nitrous oxide emission in the biological nitrogen removal process for industrial wastewater. Journal of Hazardous Materials, 2005, 119(1–3): 93–98

[5] Wan T, Zhang G, Du F, He J, Wu P. Combined biologic aerated filter and sulfur/ceramisite autotrophic denitrification for advanced wastewater nitrogen removal at low temperatures. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2014, 8(6): 967–972

[6] Wang Y, Fang H, Zhou D, Han H, Chen J. Characterization of nitrous oxide and nitric oxide emissions from a full-scale biological aerated filter for secondary nitrification. Chemical Engineering Journal, 2016, 299: 304–313

[7] Peng L, Ni B J, Erler D, Ye L, Yuan Z. The effect of dissolved oxygen on N₂O production by ammonia-oxidizing bacteria in an enriched nitrifying sludge. Water Research, 2014, 66: 12–21

[8] Aboobakar A, Cartmell E, Stephenson T, Jones M, Vale P, Dotro G. Nitrous oxide emissions and dissolved oxygen profiling in a full-scale nitrifying activated sludge treatment plant. Water Research, 2013, 47(2): 524–534

[9] Eldyasti A, Nakhla G, Zhu J. Mitigation of nitrous oxide (N₂O) emissions from denitrifying fluidized bed bioreactors (DFBBRs) using calcium. Bioresource Technology, 2014, 173: 272–283

[10] Sabba F, Picioreanu C, Pérez J, Nerenberg R. Hydroxylamine diffusion can enhance N₂O emissions in nitrifying biofilms: a modeling study. Environmental Science & Technology, 2015, 49(3): 1486–1494

[11] Ray R, Henshaw P, Biswas N. Effects of reduced aeration in a biological aerated filter. Canadian Journal of Civil Engineering, 2012, 39(4): 432–438

[12] 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

[13] Rathnayake R M L D, Oshiki M, Ishii S, Segawa T, Satoh H, Okabe S. Effects of dissolved oxygen and pH on nitrous oxide production rates in autotrophic partial nitrification granules. Bioresource Technology, 2015, 197: 15–22

[14] Lv Y, Chen X, Wang L, Ju K, Chen X, Miao R, Wang X. Microprofiles of activated sludge aggregates using microelectrodes in completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON) reactor. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2016, 10(2): 390–398

[15] Hao X, Heijnen J J, van Loosdrecht M C M. Sensitivity analysis of a biofilm model describing a one-stage completely autotrophic nitrogen removal (CANON) process. Biotechnology and Bioengineering, 2002, 77(3): 266–277

[16] APHA. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Washington, DC, USA: American Public Health Association, 2005

[17] Egli K, Bosshard F, Werlen C, Lais P, Siegrist H, Zehnder A J B, Van der Meer J R. Microbial composition and structure of a rotating biological contactor biofilm treating ammonium-rich wastewater without organic carbon. Microbial Ecology, 2003, 45(4): 419–432

[18] Ji G, Tong J, Tan Y. Wastewater treatment efficiency of a multi-media biological aerated filter (MBAF) containing clinoptilolite and bioceramsite in a brick-wall embedded design. Bioresource Technology, 2011, 102(2): 550–557

[19] Gieseke A, Beer D D. Use of microelectrodes to measure in situ microbial activities in biofilms, sediments, and microbial mats. In: Kowalchuk G G, Bruijn F J, Head I M, Akkermans A D, Elsas J D V, eds. Molecular Microbial Ecology Manual, 2nd ed. Heidelberg: Springer Netherlands, 2004

[20] Bollon J, Filali A, Fayolle Y, Guerin S, Rocher V, Gillot S. N₂O emissions from full-scale nitrifying biofilters. Water Research, 2016, 102: 41–51

[21] Li X, Sun S, Badgley B D, Sung S, Zhang H, He Z. Nitrogen removal by granular nitritation-anammox in an upflow membrane-aerated biofilm reactor. Water Research, 2016, 94: 23–31

[22] Joo S H, Kim D J, Yoo I K, Park K, Cha G C. Partial nitrification in an upflow biological aerated filter by O₂ limitation. Biotechnology Letters, 2000, 22(11): 937–940

[23] Pynaert K, Sprengers R, Laenen J, Verstraete W. Oxygen-limited nitrification and denitrification in a lab-scale rotating biological contactor. Environmental Technology, 2002, 23(3): 353–362

[24] Albuquerque A, Makinia J, Pagilla K. Impact of aeration conditions on the removal of low concentrations of nitrogen in a tertiary partially aerated biological filter. Ecological Engineering, 2012, 44: 44–52

[25] Desloover J, De Clippeleir H, Boeckx P, Du Laing G, Colsen J, Verstraete W, Vlaeminck S E. Floc-based sequential partial nitritation and anammox at full scale with contrasting N₂O emissions. Water Research, 2011, 45(9): 2811–2821

[26] Li Q, Sun S, Guo T, Yang C, Song C, Geng W, Zhang W, Feng J, Wang S. Short-cut nitrification in biological aerated filters with modified zeolite and nitrifying sludge. Bioresource Technology, 2013, 136(3): 148–154

[27] Wang J Y, Xiong Z Q, Yan X Y. Fertilizer-induced emission factors and background emissions of N₂O from vegetable fields in China. Atmospheric Environment, 2011, 45(38): 6923–6929

[28] Ahn J H, Kim S, Park H, Rahm B, Pagilla K, Chandran K. N₂O emissions from activated sludge processes, 2008–2009: results of a national monitoring survey in the United States. Environmental Science & Technology, 2010, 44(12): 4505–4511

[29] Kampschreur M J, van der Star W R L, Wielders H A, Mulder J W, Jetten M S M, van Loosdrecht M C M. Dynamics of nitric oxide and nitrous oxide emission during full-scale reject water treatment. Water Research, 2008, 42(3): 812–826

[30] Jun Y, Wenfeng X. Ammonia biofiltration and community analysis of ammonia-oxidizing bacteria in biofilters. Bioresource Technology, 2009, 100(17): 3869–3876

[31] Frutos O D, Quijano G, Pérez R, Muñoz R. Simultaneous biological nitrous oxide abatement and wastewater treatment in a denitrifying off-gas bioscrubber. Chemical Engineering Journal, 2016, 288: 28–37

[32] Garrido J M, van Benthum W A J, van Loosdrecht M C M, Heijnen J J. Influence of dissolved oxygen concentration on nitrite accumulation in a biofilm airlift suspension reactor. Biotechnology and Bioengineering, 1997, 53(2): 168–178

[33] Kampschreur M J, Temmink H, Kleerebezem R, Jetten M S M, van Loosdrecht M C M. Nitrous oxide emission during wastewater treatment. Water Research, 2009, 43(17): 4093–4103

[34] Peng L, Liu Y, Ni B J. Nitrous oxide production in completely autotrophic nitrogen removal biofilm process: a simulation study. Chemical Engineering Journal, 2016, 287: 217–224

Acknowledgements

This work is financially supported by the Doctoral Program Foundation of Chinese Higher Education Institutions (20130191110040), Ministry of Education, and the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51278508 and 51609024).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg