Anaerobic Ammonium Oxidizing Bacteria (Anammox) as a Principal Biological Wastewater Treatment Process for High Strength Saline Wastewater Sources. :고염분 폐수 처리를 위한 혐기성 암모늄 산화균의 주요 생물학적 폐수 처리 공정

빅토리

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자료유형: 학위논문

저자정보: 빅토리 (충남대학교, 충남대학교 대학원)

지도교수: 최영균

발행연도: 2022

저작권: 충남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수6

초록· 키워드

본 논문은 고농도 질소 및 염분 폐수에서 혐기성 암모늄 산화 박테리아 (anammox)의 성장가능성을 요약한 4개의 논문으로 구성되었다. 1장에서는 논문에 대한 일반적인 소개와 간략한 배경을 제시한다.
2장에서는 아나목스 반응기의 초기 운전기간에 대해 다루었다. 또한 아데노신 삼인산 (ATP)의 정량분석을 통해 염준에 대한 아나목스의 스트레스 측정방법을 제시하였다. 이 연구는 초기 적응 과정에서 유입수 기질에 대한 점진적인 염분 적응의 중요성과 우선 순위를 강조하였다. 유효 부피가 1.8L인 반응기를 약 160일 동안 운전하였으며, 유입질소부하량은 전체운전 기간 동안 0.364 kg-N·m-3d-1로 유지하였다. 시작 단계에서 실험실 규모 반응기의 식종 아나목스 미생물은 불안정한 성능을 보였으나, 38일 후 안정적인 성능이 관찰되었다. 평균 질소 제거 효율은 대부분의 운전 기간 동안 92%로 확인되었다. Anammox 스트레스 지수; 총 아데노신 삼인산 (tATP)에 대한 용해된 아데노신 삼인산 (dATP)의 비율은 NaCl 농도, 아나목스 스트레스 및 미생물 군집 사이에 뚜렷한 상관 관계를 보여주었다. 5g·L-1 염도에서cATP의 감소는 Anammox 활성의 상당한 감소를 초래했다. Candidatus Brocadia는 반응기 내의 우점종으로 확인되었으며 단계적 염도 증가에 따라 상대적으로 성장이 감소했다.
앞서 확인한 가설을 생물반응기 장기 운전 후 제 3장에서 확장하여 제시하였다. 이를 통해 담수 조건에서 해수 조건으로의 우세한 미생물 변화 및 적응 메커니즘을 확인 할 수 있었다. 3g·L-1 ~ 10g·L-1의 낮은 염수 수준에서 유출 질소 농도는 안정적으로 유지되는 것으로 관찰되었다. 그럼에도 불구하고 10g·L-1의 중간구간과 15g·L-1 염도의 초기구간은 매우 불안정하고 변동이 크며 질소제거 효율을 악화시키는 것으로 나타났다. 하지만, 더 높은 염분 농도에서 83.7 ± 5.9%의 질소제거 효율을 보였으며, 이는 증가하는 염분을 견딜 수 있는 적응 메커니즘이 일어나고 있음을 의미한다. 다양한 염분 수준에 따른 ASI의 반응을 추적한 결과 유입 염분농도가 높을수록 스트레스 감소를 나타냈다. 특정 anammox 활성 (SAA)이 과정의 시작부터 중간 지점까지 약 15% 감소했지만 중간 지점 이후의 SAA 감소는 초기 단계만큼 급격하지 않았다. 미생물 응집과 우점종의 변화는 높은 염분 스트레스를 견딜 수 있는 새로운 염분 순응 종의 존재를 입증했다.
4장에서는 담수 및 염분 적응 아나목스 박테리아의 과립화 과정의 뚜렷한 차이점을 조사하였다. 여기에서는 다양한 과립화 단계에 따른 EPS 및 주요 성분 함량의 중요성을 강조하였고, 과립의 차이를 정량화하고 이해하기 위해 활성 바이오매스 비율 (ABR) 접근 방식을 소개했다. 과립 종의 차이와 EPS 함량이 미생물 과립의 모양과 결합 능력에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. PICRUSt를 통해 두 개의 서로 다른 과립의 단백질 및 효소적 차이를 조사한 결과 염분 적응 과정에서 NaK-ATPase가 박테리아 세포질 안팎으로 3:2 Na 및 K 교환을 담당한다는 것이 높은 비율로 관찰되었다.
5장은 높은 질소 기질 농도에서 아나목스 공정에 대한 인과 관계에 초점을 맞췄다. 근본 원인 분석(RCA) 연구를 통해 아나목스 공정의 성능 분석을 빠르게 파악하고, 회복 가능성에 대한 지침을 제시하였다. 다양한 복구 요인들을 감지하여 여러 회귀분석을 수행함으로써 이러한 요인의 계층 구조가 제안된다. 이러한 요인은 복잡한 상호 작용으로 인해 개별 모니터링이 어렵지만, 이를통해 아나목스 성능 저하를 조사하고 분석하기 위한 초기 접근 방식을 제시할 수 있다.
6장에서는 이 논문에 결합된 모든 에세이의 결과를 정리하고 각 장에서 제시한 작업의 연속성과 명확한 상관관계를 확인한다.

This thesis comprises of four essays encapsulating the feasibility of enriching anaerobic ammonium oxidizing bacteria (anammox) in high strength nitrogenous and saline wastewaters. All four essays are interrelated and add-on of each other. In Chapter 1, a general introduction and brief background is presented the four articles in this thesis.
Chapter 2 presents the bioreactor start-up and identification of a reliable saline stress determination method based on the direct measurement of the anammox adenosine triphosphate (ATP) along the different enrichment conditions. The study emphasizes the importance and priority of gradual saline adaptation over influent substrate during the initial acclimation process. The reactor with an effective volume of 1.8 L was operated for about 160 days. The nitrogen-loading rate was maintained at 0.364 kg-N m?3d?1 throughout the operational period. At the start-up phase, the seed biomass acclimation to the lab bioreactor showed an inconsistent performance. However, a stable performance was observed after day 38. The average substrate removal efficiency was 92% during most of the operational period. Anammox stress index; a ratio of dissolved Adenosine Triphosphate (dATP) to total Adenosine Triphosphate (tATP) showed an irrefutable correlation between NaCl concentration, anammox stress and microbial community. A drop in the biomass cellular ATP at 5 g L?1 salinity led to a significant decrease in the Specific Anammox activity. Candidatus Brocadia was identified as the main anammox species and its relative abundance reduced along the stepwise salinity increment.
The hypothesis developed in the previous chapter was capitalized on, expanded and presented as Chapter 3 after a long-term operation of the bioreactor. This enables the development of an adaptive mechanism and swing in microbial dominance from freshwater conditions to marine water conditions. It was observed that, effluent nitrogen concentrations remained stable at low saline levels of 3 g·L?1 to 10 g·L?1. Nonetheless, midway through 10 g·L?1 and the preliminary phase of 15 g·L?1 salinity presented a very unstable, highly fluctuating as well as deteriorating effluent nitrogen concentrations. A more satisfactory nitrogen removal efficiency of 83.7 ± 5.9% was obtained at higher saline concentrations implying that, the adaptation mechanism to tolerate increasing salinity was taking place. By tracking the response of ASI along the different saline levels, a bell-shaped progression of this average ASI indicates a reduced stress to salinity at higher levels. Although the specific anammox activity (SAA) dropped by approximately 15% from the beginning of the process to the midpoint, the drop in SAA after the midpoint was not as drastic as the initial phase. A change in microbial aggregation and dominance proved the existence of new saline-dependent species that can withstand high saline stresses. Recovery from abrupt high saline shocks in batch experiment was seen to be almost impossible. The reduced stress response is further reflected in substrate removal, variation in extra polymeric substances (EPS) contents, granule formation and finally a major swing in microbial dominance from freshwater anammox bacteria (FAB) to marine water anammox bacteria (MAB).
In Chapter 4, the distinctive differences in the granulation profiles and pattern of saline and non-saline adapted anammox bacteria is investigated. This surreal differences observed in the granulation process in chapter 3 presented a basis and essential platform to probe further into how these granules differ from the general non-saline adapted anammox granules. The findings of this study highlighted the importance of EPS and its major content along the different granulation phases, as well as employed the active biomass ratio (ABR) approach to quantify and comprehend the granules’ differences. By investigating into the protein and enzymatic differences of the two distinct granules through PICRUSt, it was observed that, for saline adaptation process, the NaK-ATPase or pump, responsible for the 3:2 Na and K exchange into and out of the bacteria cytoplasm was produced in higher fold. The study was concluded with the differences in granules species and their EPS content playing significant role in their outlook and binding ability.
Chapter 5 of this dissertation is focused on the development of a cause and effect analysis for the anammox process at high substrate concentrations. This root cause analysis (RCA) study enables a quick identification of the performance breakdown of the anammox process and presents a guide for possible performance recovery. By detecting various factors and performing several regressions on the available sample data size, a chronological hierarchy of these factors in a perpetual performance collapse is proposed. The inter-correlative and loop-like nature of these factors makes individual monitoring difficult. However, this RCA presents a plausible initial approach for investigating and analysing the collapse of various anammox processes.
Chapter 6, wraps up the findings of all the essays combined in this dissertation and confirms the clear correlation as well as continuation of the works presented in each chapter.

CHAPTER 1 ? Introduction 1
CHAPTER 2 ? Anammox Bioreactor Start-up and Saline Correlative Index Determination 8
2.1. Introduction 9
2.2. Materials and methods 12
2.2.1. Inoculum 12
2.2.2. Synthetic Wastewater Composition 13
2.2.3. Bioreactor for Anammox Cultivation and Operation Strategy 15
2.2.4. Analytical Methods 18
2.2.5. Anammox Stress Index (ASI) 19
2.2.6. Specific Anammox Activity (SAA) & Shock loading Batch Test 20
2.2.7. Microbial Consortia Analysis 21
2.3. Results and Discussion 22
2.3.1. Initial start-up performance and nitrogen removal 22
2.3.2. Specific Anammox Activity (SAA) 26
2.3.3. Variation of Cellular ATP and ASI of anammox bacteria 28
2.3.4. Influence of saline stress on microbial consortia 31
2.3.5. Short term salinity Shock Loading Effect 34
2.4. Chapter Summary 36
CHAPTER 3 ? Long-Term Operation of Saline Adapted Anammox Process 38
3.1. Introduction 39
3.2. Materials and methods 42
3.2.1. Seed sludge and feed composition 42
3.2.2. Experimental Set-Up, Instrumentation and Operation Strategy 42
3.2.3. EPS extraction for ion analysis 44
3.2.4. Batch experiments 44
3.2.5. DNA extraction and Community Sequencing 45
3.3. Results and Discussion 47
3.3.1. Reactor Operation and Nitrogen Removal 47
3.3.2. Saline Inhibitory Effect 51
3.3.3. Variation in Conductivity and EPS ion content 54
3.3.4. Granulation of the anammox bacteria 56
3.3.5. Shift in microbial abundance 60
3.3.6. Recovery from Saline shock 65
3.4. Chapter Summary 68
CHAPTER 4 ? Long-Term Granulation behaviour of Saline and Non-saline Anammox Reactors 70
4.1. Introduction 71
4.2. Materials and methods 73
4.2.1 Bioreactor Operation 73
4.2.2. Seeding Sludge and Synthetic Wastewater 74
4.2.3. Instrumentation and Calculations 76
4.2.4. Extracellular polymeric Substance (EPS) extraction and content analysis 78
4.2.5. Microbial Health and Phylogenetic Community Investigation 79
4.3. Results and Discussion 80
4.3.1. Substrate Utilization & Removal Profile 80
4.3.2. Granule Morphology and Characteristics 87
4.3.3. Extracellular Polymeric Substances (EPS) 90
4.3.4 Microbial viability and Activity 98
4.3.5 Community and functional genes expressions 100
4.4. Chapter Summary 105
APPENDIX A 107
CHAPTER 5 ? Root Cause Analysis of Anammox Bioreactor Performance Collapse 110
5.1. Introduction 111
5.2. Materials and methods 115
5.2.1. Enrichment media and biomass seeding 115
5.2.2. Bioreactor Set-up and operation 115
5.2.3. Analytical techniques 116
5.2.3.1. Inorganic Components 116
5.2.3.2. Microbial imaging 117
5.2.3.3. By-products extraction and quantification 117
5.2.4. Microbial community analysis 118
5.2.4.1. Energy production and measurement 118
5.2.4.2. DNA extraction and Microbial Sequencing 119
5.3. Results and Discussion 119
5.3.1. Nitrogen removal and stoichiometric ratio 119
5.3.2. Free ammonia (FA) and free nitrous acid (FNA) 124
5.3.3. Microbial activity and energy production 127
5.3.4. Microbial community response 130
5.3.5. Microbial micrographic structure 134
5.3.6. Microbial by-product 136
5.3.6. Root cause analysis (RCA) on performance collapse 142
5.4. Chapter Summary 146
CHAPTER 6 ? Conclusion 147
REFERENCES 151
Abstract in Korean (국문초록) 171

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