Các ứng dụng công nghệ sinh học mới nổi của Anammox

• Sự tương tác giữa vi khuẩn anammox và vi khuẩn oxy hóa amoniac, vi khuẩn oxy hóa amoniac hoàn chỉnh và vi khuẩn oxy hóa khí metan phụ thuộc nitrat\/nitrite phụ thuộc vào các vi sinh vật oxy hóa metan cung cấp một cách tiếp cận mới để cung cấp nitrite cho vi khuẩn anammox để loại bỏ nitơ khỏi chất thải thấp.
• Những tiến bộ trong khoa học vật liệu đã chỉ ra rằng sự tương tác giữa vi khuẩn anammox và vật liệu carbon như graphene oxide, carbon hoạt hóa hạt, than sinh học và các dạng sắt khác nhau có thể tăng cường hoạt động anammox và loại bỏ nitơ.
• Việc phát hiện ra khả năng chuyển điện tử ngoại bào của vi khuẩn Anammox cho thấy rằng đây là một cách tiếp cận tiết kiệm năng lượng đầy hứa hẹn để loại bỏ nitơ với sự phục hồi năng lượng đồng thời.
• Sự thích nghi nội tại của vi khuẩn Anammox biển với điều kiện nước muối làm cho chúng trở thành một công cụ chính để xử lý dòng nước thải nước muối.

Quá trình oxy hóa ammonium kỵ khí (Anammox) là một phương pháp loại bỏ nitơ tiết kiệm năng lượng, và nghiên cứu về anammox trong thập kỷ qua đã tập trung chủ yếu vào ứng dụng của nó trong xử lý nước thải trong nước. Tuy nhiên, nghiên cứu mới nổi đang mở rộng ứng dụng của mình vào các ứng dụng công nghệ sinh học mới và quy trình xử lý nước thải.

Vi khuẩn anammox có thể trực tiếp oxy hóa ammonium (NH 4+) thành khí nitơ (N2) bằng nitrite (không 2-) làm chất nhận điện tử. Cho đến nay, quá trình Anammox đã được coi là một phương pháp khử nitrat tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường hơn so với quá trình nitrat hóa\/khử nitrat hóa tiêu tốn năng lượng truyền thống. Sử dụng Anammox để xử lý nước thải mang lại những lợi thế đáng kể, bao gồm giảm 60% mức tiêu thụ năng lượng, loại bỏ hoàn toàn việc bổ sung carbon bên ngoài và giảm 80% sản xuất bùn dư thừa, khiến quá trình anammox trở thành một thành phần chính trong việc đạt được xử lý nước thải trung tính năng lượng hoặc thậm chí là năng lượng. Anammox đã được sử dụng rộng rãi trong các cơ sở quy mô đầy đủ để xử lý nước thải công nghiệp và sidestream. Ngoài ra, ba nhà máy Anammox Ammonium chính thống quy mô thành công đã được báo cáo ở Strass (Áo), Changi (Singapore) và Xi'an (Trung Quốc). Cơ sở Strass báo cáo bổ sung bùn chính với các hạt anammox trong lò phản ứng sidestream. Lò phản ứng được vận hành trong sục khí không liên tục để kiểm soát vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB). Ngoài ra, cơ sở Changi sử dụng bùn flocculent giàu anammox kết hợp với các điều kiện cho ăn và các điều kiện hiếu khí và anoxic xen kẽ để ngăn chặn Nob. Cơ sở Xi'an sử dụng các chất mang màng sinh học để giữ lại vi khuẩn phát triển chậm trong các bể anoxic. Các lò phản ứng được vận hành với sục khí không liên tục để tạo ra độ dốc oxy hòa tan để sản xuất nitrite. Đáng chú ý, mặc dù các cơ sở Changi và Xi'an ban đầu không được thiết kế cho Anammox, nhưng chúng cung cấp bằng chứng cho thấy Anammox chính quy mô toàn diện cũng có thể được thực hiện trong cơ sở hạ tầng của cơ sở xử lý nước thải hiện tại. Những cài đặt này nêu bật tiềm năng của nitrit hóa một phần chính\/anammox (PN\/A). Ngoài ra, xử lý nước thải trong nước bằng cách sử dụng xử lý chất hữu cơ kỵ khí (giai đoạn A) và PN\/A (giai đoạn B) đã được chứng minh thành công ở quy mô phòng thí nghiệm và thí điểm, đánh dấu một bước tiến tới xử lý nước thải trung tính năng lượng.

Mặc dù đã chứng minh thành công PN\/A chính thống, có một số thách thức đối với việc thực hiện rộng rãi anammox trong điều trị chính thống, bao gồm nhu cầu sản xuất không ổn định 2-, giảm hiệu suất ở nhiệt độ thấp và nồng độ NH 4+. Nghiên cứu trong thập kỷ qua đã được hướng tới việc giải quyết những hạn chế này để khai thác đầy đủ Anammox để xử lý nước thải trong nước. Tiến bộ đáng kể đã được thực hiện để đạt được PN ổn định, cải thiện hiệu suất ở nhiệt độ thấp và nồng độ amoni thấp, kiểm soát Nob và hoạt động ở một phạm vi rộng của tỷ lệ carbon so với nitơ (C: N). Ngoài ra, những tiến bộ gần đây đã thay đổi nhận thức về thời gian nhân đôi chậm của vi khuẩn Anammox, điều này không còn được coi là rào cản đối với việc thực hiện công nghệ. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tùy thuộc vào loài, thời gian nhân đôi nhanh là một đặc tính động học nội tại của vi khuẩn anammox. Hơn nữa, sự đa dạng ngày càng tăng của các loài anammox và những tiến bộ trong phương pháp nuôi cấy đã chỉ ra rằng những vi khuẩn này có thể phát triển nhanh hơn dự kiến ​​trước đây, cho phép công nghệ được áp dụng rộng rãi bất kể tốc độ tăng trưởng của chúng.

Mặc dù những nỗ lực đang được thực hiện để giải quyết các thách thức truyền thống và tắc nghẽn của các ứng dụng anammox trong các môi trường chính thống, nghiên cứu gần đây cũng tập trung vào các phương pháp sáng tạo để giải quyết các thách thức này, chẳng hạn như các tương tác anammox-microbial để điều trị bằng phương pháp xử lý nitơ, tương tác với các vật liệu thay thế cho nước thải, một chất gây ra sự thay đổi của chất thải, một loại chất thải của chất thải. Vi khuẩn. Nghiên cứu này đang được thực hiện trong khi khám phá các ứng dụng công nghệ sinh học mới, chẳng hạn như loại bỏ amoniac khỏi nước thải nước muối bằng vi khuẩn anammox biển (MAb).

Vi khuẩn Anammox tồn tại trong một mạng lưới sinh thái phức tạp, nơi chúng tương tác với nhiều quần thể vi sinh vật khác trong môi trường tự nhiên, hệ thống xử lý nước thải và nuôi cấy làm giàu. Cho rằng Anammox đã nổi lên như một quá trình chính để khử nitrat nước thải, hiểu các tương tác vi sinh vật phức tạp này không chỉ làm phong phú thêm sự hiểu biết của chúng ta về chu trình nitơ vi sinh vật mà còn rất cần thiết để phát triển các công nghệ xử lý nước thải thế hệ tiếp theo. Thông thường, trong hệ thống PN\/A một giai đoạn, vi khuẩn Anammox cùng tồn tại với vi khuẩn oxy hóa amoniac (AOB) trong các hạt để tạo thành một mối quan hệ đối xứng, do đó đạt được sự biến hóa hiệu quả hơn. AOB oxy hóa một phần NH 4+ thành NO2− và NO2− được tạo ra như một chất nhận điện tử cho vi khuẩn anammox, oxy hóa NH 4+ và tạo ra N2. Ưu điểm của hệ thống PN\/A một giai đoạn.

Tương tác giữa vi khuẩn anammox và (a) vi khuẩn oxy hóa amoniac (AOB) và vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB), (b) amoniac oxy hóa vi khuẩn (AOA), (c) hoàn toàn vi khuẩn oxya (comammox).

Mặc dù hệ thống PN\/A một giai đoạn có lợi thế so với hệ thống hai giai đoạn, nhiệt độ thấp hơn ảnh hưởng đến hoạt động của AOB và Anammox, cũng như duy trì việc sản xuất NO 2- ổn định, đặt ra những thách thức đối với hoạt động của sinh học và thực hiện các quá trình xử lý chất thải. Ngoài ra, tính chất phụ thuộc oxy của PN thêm một lớp phức tạp để vận hành lò phản ứng. Cung cấp oxy không đầy đủ có thể hạn chế quá trình oxy hóa NH 4+ thành NO 2-, do đó ảnh hưởng đến việc loại bỏ NH 4+ bởi vi khuẩn Anammox. Ngược lại, quá mức có thể dẫn đến sản xuất NO2 dư thừa, điều này ức chế vi khuẩn Anammox và kích thích Nob. Điều này tạo ra nước thải giàu nitrat (NO3,) và Nob, vượt trội so với vi khuẩn anammox. Sự tích lũy của NO3, cho dù từ hoạt động trao đổi chất vốn có của vi khuẩn anammox hay NOB, có thể làm giảm chất lượng tổng thể của nước thải. Do đó, cần phải phát triển các phương pháp hiệu quả và ổn định hơn để cung cấp không 2- cho anammox.

Kết hợp anammox với Archaea oxy hóa amoniac (AOA) là một lĩnh vực nghiên cứu mới nổi hứa hẹn sẽ cung cấp một hệ thống điều trị mạnh mẽ và hiệu quả hơn so với PN\/A truyền thống với AOB. AOA là một nhánh chiếm ưu thế của Thaumarchaeota phylum được tìm thấy trong các môi trường oligotrophic khác nhau, chẳng hạn như các vùng tối thiểu oxy (OMZ). So với AOB, AOA có khả năng phục hồi cao hơn đối với biến động nhiệt độ môi trường và có ái lực cao hơn đáng kể với oxy và NH 4+. Mối quan hệ cao của AOA với NH 4+ và oxy cho phép nó hoạt động hiệu quả trong các môi trường có nồng độ chất nền thấp. Những đặc tính này có thể làm cho AOA phù hợp để kết hợp với anammox để xử lý nước thải trong nước, thường có các điều kiện hoạt động dao động như thay đổi nhiệt độ và nồng độ amoni thấp. Các mô hình màng sinh học cho thấy AOA có thể cung cấp một nguồn NO 2- ổn định hơn so với AOB ở nồng độ amoniac thấp hơn.

Mặc dù các nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết đầy hứa hẹn về tiềm năng của các hệ thống AOA-Anammox, nhưng tối ưu hóa mối quan hệ đối tác vi sinh vật này trong các ứng dụng quy mô lớn hơn vẫn là một thách thức. Ngoài ra, AOA bị cản trở bởi tốc độ tăng trưởng chậm và khả năng hình thành màng sinh học kém, làm cho chúng ít phù hợp với các ứng dụng thực tế trong đó hoạt động của vi sinh vật nhanh và sự hình thành màng sinh học ổn định là rất quan trọng. Ngược lại, vi khuẩn vi khuẩn oxy hóa amoniac hoàn chỉnh (COMAMMOX) cung cấp một sự thay thế hiệu quả hơn. So với AOA, vi khuẩn comammox không chỉ thể hiện tốc độ tăng trưởng cao hơn, mà còn có ái lực cơ chất rộng hơn và cung cấp khả năng tăng trưởng trong màng sinh học kết hợp với anammox. Vi khuẩn comammox là một tập hợp con của chi Nitrospira với khả năng duy nhất để thực hiện cả hai bước nitrat hóa và có thể oxy hóa NH 4+ đến NO2, và tiếp tục đến NO3 trong một sinh vật. Các nghiên cứu đã báo cáo sự cùng tồn tại và hợp tác của vi khuẩn comammox và anammox trong quá trình khử nitrat trong phòng thí nghiệm và hệ thống xử lý nước thải quy mô lớn. Tuy nhiên, các hệ thống này ban đầu không được thiết kế để làm phong phú thêm các cộng đồng anammox-comammox. Thiết kế và thiết lập các cộng đồng tổng hợp là thách thức hơn, và ít nghiên cứu hơn đã cố gắng thiết kế hoặc làm phong phú cho các tương tác như vậy. Một nghiên cứu của Gottshall và các đồng nghiệp đã thành lập các cộng đồng Anammox-Comammox tổng hợp trong các hạt hydrogel được đóng gói. Trong các hạt này, vi khuẩn comammox chiếm vùng bên ngoài hiếu khí, trong khi vi khuẩn Anammox nằm trong lớp anoxic bên dưới. Sự tương tác và sắp xếp không gian này dẫn đến loại bỏ nitơ gần như hoàn toàn và làm giảm đáng kể sự hình thành NO3, một đặc điểm chính của xử lý nước thải, trong đó NO3, là một sản phẩm phụ không mong muốn. Nồng độ NO3 thấp trong nước thải có thể là do hoạt động amoniac giảm nitrat (DNRA) của vi khuẩn anammox và\/hoặc các chất khử trùng dị dưỡng.

Trong một nghiên cứu khác, một cộng đồng comammox-anammox đã được thành lập bằng cách sử dụng nitrospira inopinata và anammox, được đóng gói với carbon trong hạt hydrogel. Cấu hình lò phản ứng mới này sử dụng hệ thống sưởi rạng rỡ của carbon được đóng gói với các sinh vật để đạt được loại bỏ NH {3}} gần như hoàn chỉnh ở nhiệt độ thấp (tức là 4 độ) khi xử lý nước thải tổng hợp và thực tế từ các nhà máy xử lý nước thải đô thị.

Dựa trên những phát hiện này, các nghiên cứu sâu hơn đã nhấn mạnh rằng NH 4+ và nồng độ oxy thấp là một trong những thông số có liên quan nhất để thúc đẩy hoạt động làm giàu và hiệp đồng của vi khuẩn truyền cảm và kỵ khí để đạt được tính chất thải của nước thải chính. Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các định dạng dạng hạt phù hợp để giải trình tự các lò phản ứng hàng loạt (SBR) và cần được kiểm tra trong các điều kiện thực tế và trong các hệ thống xử lý nước thải quy mô lớn hơn. Các hệ thống hạt vốn đã tăng tốc độ truyền khối do diện tích bề mặt tăng lên và động lực học dòng tối ưu hóa, điều này rất cần thiết cho sự khuếch tán hiệu quả của chất nền và oxy vào màng sinh học. Ngoài ra, các hệ thống này có khả năng duy trì sinh khối cao hơn, các cộng đồng vi sinh vật ổn định hơn và các yêu cầu về thể tích lò phản ứng bị giảm đáng kể do tính nhỏ gọn của các hệ thống hạt. Các hệ thống comammox-anammox hạt cũng chịu được sự dao động hơn trong nồng độ cơ chất và điều kiện môi trường. Xem xét những lợi thế này, sự phát triển của các hệ thống comammox-anammox dạng hạt có thể là một tiến bộ lớn trong việc thực hiện thực tế của sự tương tác này. Mục tiêu cuối cùng là khai thác tính vi mô của tương tác A. microbiophilum-anammox để tiết kiệm năng lượng sục khí và tối đa hóa việc sử dụng quan hệ đối tác vi sinh vật này để loại bỏ nitơ hiệu quả.

Sự tương tác cộng sinh giữa anammox và vi sinh vật oxy hóa khí metan phụ thuộc nitrat\/nitrite (N-Damo) cung cấp một phương pháp tiếp cận duy nhất và bền vững môi trường để loại bỏ đồng thời nitơ và khí mê-tan trong hệ thống xử lý nước thải. Cộng đồng vi sinh vật liên quan đến quá trình N-Damo bao gồm một nhóm vi khuẩn từ phylum NC10 (nghĩa là, candidatus methylomirabilis) và một nhóm lưu trữ từ phylum euryarchaeota (tức là candidatus methanoperedens). Vi khuẩn N-Damo có thể giảm NO 2- xuống N2, trong khi N-Damo Archaea giảm NO 3- thành NO 2-, cả hai đều sử dụng CH4 làm nhà tài trợ electron. Kết hợp anammox với quy trình N-Damo cho phép loại bỏ kỵ khí đồng thời của CH4 hòa tan, NH 4+, không 2- và không 3- từ nước thải. Những tiến bộ gần đây đã chứng minh sự kết hợp hiệp đồng của các quá trình kỵ khí và DAMO trong các cấu hình phản ứng sinh học như lò phản ứng màng sinh học màng (MBFR) và lò phản ứng màng sinh học BED di chuyển (MBBR) được ghép với các sợi rỗng. Các cấu hình lò phản ứng này cho phép lưu giữ sinh khối hiệu quả và phân phối CH4 thông qua màng và sợi rỗng, do đó thiết lập một môi trường vi mô tối ưu cho các sinh vật anammox và damo.

Tuy nhiên, mặc dù có những lợi thế của các cấu hình dựa trên màng, có những thách thức trong việc thực hiện chúng trong các hệ thống quy mô lớn hơn. Diện tích bề mặt cao của màng là cần thiết để giữ lại các vi sinh vật phát triển chậm, làm tăng đáng kể chi phí đầu tư. Ngoài ra, phải mất khoảng 1-3 năm đối với vi khuẩn N-Damo và kỵ khí để tạo thành một màng sinh học, làm tăng đáng kể thời gian khởi nghiệp. Sự phát triển của Damo hạt cung cấp các tùy chọn mới cho các cấu hình lò phản ứng hiệu quả hơn, do đó thực hiện một bước hướng tới ứng dụng thực tế. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng các hạt kỵ khí trưởng thành khi các sinh học làm tăng tốc sự hình thành các hạt N-Damo. Điều này đặc biệt quan trọng bởi vì trong các nghiên cứu trước đây, phải mất hơn một năm để có được các hạt N-Damo từ các flocs lơ lửng. Hệ thống Damo-Anammox hạt cũng cho thấy tốc độ chuyển khối cao hơn, giữ sinh khối cao hơn, giảm đáng kể các yêu cầu về thể tích lò phản ứng và khả năng chịu đựng sự dao động trong nồng độ thức ăn và điều kiện hoạt động như tốc độ tải nitơ và nhiệt độ. Mặc dù tương tác Anammox-N-Damo đã cho thấy hứa hẹn, nhưng nó vẫn là một thách thức để mở rộng nó từ các ứng dụng trong phòng thí nghiệm sang các ứng dụng quy mô lớn. Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình kỵ khí để cải thiện hiệu quả loại bỏ nitơ và kiểm tra quá trình ở nhiệt độ thấp hơn, giải quyết các vấn đề chuyển và khuếch tán khối lượng và tiến hành thử nghiệm thí điểm bằng cách sử dụng chất thải thực tế.

Việc loại bỏ nitơ sáng tạo từ nước thải bằng cách sử dụng các tương tác vi khuẩn anammox cung cấp một cách tiếp cận mới để giải quyết các thách thức tồn tại trong việc thực hiện anammox và các hệ thống PN\/A truyền thống. Khả năng phục hồi của AOA đối với các biến động môi trường và ái lực cao của nó với oxy và NH 4+, cùng với khả năng của vi khuẩn comammox thực hiện hai bước nitrat hóa, đưa ra các lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn cho AOB cho PN\/A. Tuy nhiên, tốc độ tăng trưởng chậm của AOA và những thách thức của comammox trong sự hình thành màng sinh học làm nổi bật những hạn chế nội tại chưa được khắc phục bằng nghiên cứu mới nổi. Hơn nữa, mặc dù có lời hứa về các tương tác cộng sinh giữa các vi sinh vật Anammox và N-Damo ở quy mô phòng thí nghiệm, việc mở rộng các tương tác này thành các ứng dụng quy mô toàn diện vẫn là một thách thức đáng kể và nhấn mạnh sự cần thiết phải nghiên cứu thêm để tối ưu hóa các quy trình này cho các ứng dụng trong thế giới thực.

Các nghiên cứu này cho thấy rằng việc tích hợp các quá trình vi sinh vật này có khả năng giải quyết một số vấn đề tiềm ẩn với việc thực hiện Anammox, nhưng chúng không giải quyết đầy đủ những thách thức này. Hơn nữa, sự tích hợp của những đổi mới này đưa ra những thách thức bổ sung cần được giải quyết. Tuy nhiên, có giá trị trong việc khám phá nhiều phương pháp nghiên cứu ngoài các phương pháp truyền thống vì đây là con đường tạo ra những khám phá, giải pháp và ứng dụng mới. Hơn nữa, các nghiên cứu này đã có những đóng góp đáng kể cho sự hiểu biết về động lực vi sinh vật phức tạp xung quanh vi khuẩn anammox, điều này rất quan trọng để cải thiện các đơn vị xử lý nước thải hiện tại và mới. Mặc dù việc áp dụng các tương tác mới này có thể không cung cấp các giải pháp hoàn chỉnh cho các tắc nghẽn hiện có trong tương lai gần, nhưng nó nhấn mạnh sự cần thiết phải tập trung nghiên cứu trong tương lai về việc chuyển thành công trong phòng thí nghiệm thành các giải pháp thực tế, có thể mở rộng để xử lý nước thải thành phố.