Effect of different carbon sources on performance of an A₂N-MBR process and its microbial community structure

Abstract

The nutrient removal was higeher with short-chain fatty acids as carbon source.

Candidatus Accumulibacter was more easily enriched in A₂N-MBR process.

Short-chain fatty acids were beneficial to the growth of PAOs.

Effect of different carbon sources on purification performance and change of microbial community structure in a novel A₂N-MBR process were investigated. The results showed that when fed with acetate, propionate or acetate and propionate mixed (1:1) as carbon sources, the effluent COD, NH₄⁺-N, TN and TP were lower than 30, 5, 15 and 0.5 mg·L^-1, respectively. However, taken glucose as carbon source, the TP concentration of effluent reached 2.6 mg·L^-1. Process analysis found that the amount of anaerobic phosphorus release would be the key factor to determine the above effectiveness. The acetate was beneficial to the growth ofCandidatus Accumulibacter associated with biological phosphorus removal, which was the main cause of high efficiency phosphorus removal in this system. In addition, it could eliminate theCandidatus Competibacter associated with glycogen-accumulating organisms and guarantee high efficiency phosphorus uptake of phosphorus accumulating organisms in the system with acetate as carbon source.

Graphical abstract

Keywords

Denitrifying phosphorus removal / Alternate anaerobic/anoxic-aerobic MBR (A ₂N-MBR) / Carbon source / Operation characteristic / Community structure

References

[1] Zhu R, Wu  M, Yang J . Effect of sludge retention time and phosphorus to carbon ratio on biological phosphorus removal in HS-SBR process. Environmental Technology, 2013, 34(1-4): 429–435

[2] Jin L, Zhang  G, Tian H . Current state of sewage treatment in China. Water Research, 2014, 66: 85–98

[3] Carvalheira M, Oehmen  A, Carvalho G ,  Reis M A . The effect of substrate competition on the metabolism of polyphosphate accumulating organisms (PAOs). Water Research, 2014, 64: 149–159

[4] Tsuneda S, Ohno  T, Soejima K ,  Hirata A . Simultaneous nitrogen and phosphorus removal using denitrifying phosphate-accumulating organisms in a sequencing batch reactor. Biochemical Engineering Journal, 2006, 27(3): 191–196

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

[6] Kuba T M C M ,  Van Loosdrecht M C M ,  Heijnen J J . Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system. Water Research, 1996, 30(7): 1702–1710

[7] Merzouki M, Bernet  N, Delgenès J P ,  Benlemlih M . Effect of prefermentation on denitrifying phosphorus removal in slaughterhouse wastewater. Bioresource Technology, 2005, 96(12): 1317–1322

[8] Copp J B, Dold  P L. Comparing sludge production under aerobic and anoxic conditions. Water Science and Technology, 1998, 38(1): 285–294

[9] Wang Y Y, Peng  Y Z, Peng  C Y, Wang  S Y, Zeng  W. Influence of ORP variation, carbon source and nitrate concentration on denitrifying phosphorus removal by DPB sludge from dephanox process. Water Science and Technology, 2004, 50(10): 153–161

[10] Peng Y Z, Wu  C Y, Wang  R D, Li  X L. Denitrifying phosphorus removal with nitrite by a real-time step feed sequencing batch reactor. Journal of Chemical Technology and Biotechnology (Oxford, Oxfordshire), 2011, 86(4): 541–546

[11] Hagman M, Nielsen  J L, Nielsen  P H, Jansen  J. Mixed carbon sources for nitrate reduction in activated sludge-identification of bacteria and process activity studies. Water Research, 2008, 42(6-7): 1539–1546

[12] Carvalho G, Lemos  P C, Oehmen  A, Reis M A . Denitrifying phosphorus removal: linking the process performance with the microbial community structure. Water Research, 2007, 41(19): 4383–4396

[13] Kargi F, Uygur  A, Başkaya H S . Phosphate uptake and release rates with different carbon sources in biological nutrient removal using a SBR. Journal of Environmental Management, 2005, 76(1): 71–75

[14] Wang Y, Jiang  F, Zhang Z ,  Xing M, Lu  Z, Wu M ,  Yang J, Peng  Y. The long-term effect of carbon source on the competition between polyphosphorus accumulating organisms and glycogen accumulating organism in a continuous plug-flow anaerobic/aerobic (A/O) process. Bioresource Technology, 2010, 101(1): 98–104

[15] Pijuan M, Casas  C, Baeza J A . Polyhydroxyalkanoate synthesis using different carbon sources by two enhanced biological phosphorus removal microbial communities. Process Biochemistry, 2009, 44(1): 97–105

[16] Wachtmeister A, Kuba  T, Van Loosdrecht M C M, Heijnen J J . A sludge characterization assay for aerobic and denitrifying phosphorus removing sludge. Water Research, 1997, 31(3): 471–478

[17] Oehmen A, Saunders  A M, Vives  M T, Yuan  Z, Keller J . Competition between polyphosphate and glycogen accumulating organisms in enhanced biological phosphorus removal systems with acetate and propionate as carbon sources. Journal of Biotechnology, 2006, 123(1): 22–32

[18] Oehmen A, Lemos  P C, Carvalho  G, Yuan Z ,  Keller J ,  Blackall L L ,  Reis M A . Advances in enhanced biological phosphorus removal: from micro to macro scale. Water Research, 2007, 41(11): 2271–2300

[19] Chang K, Li  X M, Wang  D B, Yang  Q, Zeng G M . Effect of different ratios of propionate to acetate on phosphorus removal in sequencing batch reactor with single-stage oxic process. China Environmental Science, 2011, 3: 007

[20] Chinese SEPA, Water and Wastewater Monitoring Methods, 4th ed. Beijing: Chinese Environmental Science Publishing House, 2002

[21] Schloss P D, Westcott  S L, Ryabin  T, Hall J R ,  Hartmann M ,  Hollister E B ,  Lesniewski R A ,  Oakley B B ,  Parks D H ,  Robinson C J ,  Sahl J W ,  Stres B ,  Thallinger G G ,  Van Horn D J ,  Weber C F . Introducing mothur: open-source, platform-independent, community-supported software for describing and comparing microbial communities. Applied and Environmental Microbiology, 2009, 75(23): 7537–7541

[22] Jeon C O, Park  J M. Enhanced biological phosphorus removal in a sequencing batch reactor supplied with glucose as a sole carbon source. Water Research, 2000, 34(7): 2160–2170

[23] Li Y J, Chen  X H, Sun  L P. Effects of propionic/acetic acid ratios on denitrifying phosphorus removal. China Water and Wastewater, 2011, 27(1): 79–81

[24] Liu Y, Chen  Y G, Zheng  H. Effect of different ratios of propionic to acetic acid on phosphorus removal by an enriched culture of phosphorus accumulating organisms. Acta Scientiae Circumstantiae, 2006, 26(8): 1278–1283

[25] Saito T, Brdjanovic  D, van Loosdrecht M C M. Effect of nitrite on phosphate uptake by phosphate accumulating organisms. Water Research, 2004, 38(17): 3760–3768

[26] Lv X M, Shao  M F, Li  J, Li C L . Metagenomic analysis of the sludge microbial community in a lab-scale denitrifying phosphorus removal reactor. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2015, 175(7): 3258–3270

[27] Tian M, Zhao  F, Shen X ,  Chu K, Wang  J, Chen S ,  Guo Y, Liu  H. The first metagenome of activated sludge from full-scale anaerobic/anoxic/oxic (A²O) nitrogen and phosphorus removal reactor using Illumina sequencing. Journal of Environmental Sciences (China), 2015, 35: 181–190

[28] Hill V R, Kahler  A M, Jothikumar  N, Johnson T B ,  Hahn D, Cromeans  T L. Multistate evaluation of an ultrafiltration-based procedure for simultaneous recovery of enteric microbes in 100-liter tap water samples. Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73(13): 4218–4225

[29] Zhang W, Hou  F, Peng Y ,  Liu Q, Wang  S. Optimizing aeration rate in an external nitrification–denitrifying phosphorus removal (ENDPR) system for domestic wastewater treatment. Chemical Engineering Journal, 2014, 245: 342–347

[30] Kim J M, Lee  H J, Kim  S Y, Song  J J, Park  W, Jeon C O . Analysis of the fine-scale population structure of “Candidatus Accumulibacter phosphatis” in enhanced biological phosphorus removal sludge, using fluorescence in situ hybridization and flow cytometric sorting. Applied and Environmental Microbiology, 2010, 76(12): 3825–3835 PMID:20418432 

[31] Kim J M, Lee  H J, Lee  D S, Jeon  C O. Characterization of the denitrification-associated phosphorus uptake properties of “Candidatus Accumulibacter phosphatis” clades in sludge subjected to enhanced biological phosphorus removal. Applied and Environmental Microbiology, 2013, 79(6): 1969–1979

[32] Whang L M, Filipe  C D M, Park  J K. Model-based evaluation of competition between polyphosphate- and glycogen-accumulating organisms. Water Research, 2007, 41(6): 1312–1324

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer–Verlag Berlin Heidelberg