Summary: | Hos Vestfjorden Avløpsselskap (VEAS) blir nitrifikasjon utført i ein “fast film prosess” der lett ekspandert leireaggregat (LECA) blir brukt som berermateriale for biofilm. Vask av desse nitrifiserande biofiltra er nødvendig for å fjerne overflødig biomasse, og for å forhindre at raskt veksande heterotrofiske organismar ut-konkurrera dei sakte voksande autotrofe nitrifiserande organismane på grunn av høge konsentrasjonar av organisk materiale i innkommande avløpsvatn. VEAS har opplevd utfordringar med tap av filtermasse ved vasking av dei nitrifiserande biofiltera. Tapet av Leca har ført til redusert nitrifikasjonskapasitet og problem i ulike delar i anlegget. For å reduserer tapet av filtermasse, har VEAS endra den originale vaskeprosedyra. Den nye vaskeprosedyra har tidlegare vist å minimera tapet av Leca biofilm berarar, men effekten på nitrifikasjonseffektiviteten og bakterielt samfunn er ikkje vorte undersøkt. Målet med denne studien var å undersøke forskjellane i samansetning av det bakterielle samfunnet og aktivitet av nitrifiserande og denitrifiserande bakteriar i Leca biofilm utsett for den nye og originale vaskeprosedyren. Den nye vasken vart implementert i ein prosesshall med fire nitrifiserande biofilter, medan den originale vaskeprosedyra var beheldt i ein ekvivalent prosesshall med fire nitrifiserande biofilter på VEAS. I denne studien vart Leca biofilm- prøvar frå desse nitrifiserande filtera brukt til å samanlikna den nye og original vaskeprosedyra. Dette vart gjennomført med små-skala batchforsøk for å estimerer nitrifikasjonskapasitet i Leca biofilm, analysere prosessen av nitrifikasjon og denitrifikasjon i biofilmen gjennom overvåking av gasskinetikk og karakterisering av Leca biofilm samfunn med Illumina sekvensering av 16S rDNA amplikoner. Det bakterielle samfunnet i Leca biofilm ved VEAS var dominert av Beta-proteobakteriar, Alpha-proteobakteriar, Nitrospira og Aktinobakteriar. Det nitrifiserande samfunnet hadde høgast forkomst av nitritt oksiderande bakteriar (NOB) og var dominert av ein Nitrospira- zOTU, som ved fylogenetiske analysar viste evolusjonært forhold til Nitrospira Salsa. Den relative førekomsten av ammonium oksiderande var låg i forhold til førekomsten av NOB. I denne studien vart det vist at samansetninga og diversiteten i Leca biofilmen endra seg med tid og at vaskeprosedyrene påverka strukturen av samfunna i biofilmen. Det såg ut til at den nye vaskeprosedyra førte til eit biofilmsamfunn som var meir utsett for endringar i ammonium konsentrasjon i innkomande avløpsvatn enn biofilmen utsett for den originale vaskeprosedyra. Den umiddelbare effekten av vask på samansetning av det bakterielle samfunnet var generelt låg, men der var ein observerbar effekt når talet på repetisjonar av hurtigdrenering følgd av skuring med luft og vatn vart auka med den nye vaskeprosedyra. Dette førte til ein reduksjon i relativ førekomst av nitrifiserande bakteriar og små-skala batchforsøk viste at nitrifikasjonsraten i Leca biofilm samfunna vart redusert. Det var òg observert ein effekt av djupn i dei nitrifiserande biofiltera på Leca biofilm utsett for begge vaskeprosedyrene. Diversiteten i bakteriesamfunna var høgare i prøvar frå toppen av det nitrifiserande filteret samanlikna med prøvar frå botnen av filteret. Overvaking av gasskinetikk i robotisert inkubasjonsforsøk med Leca biofilmprøver frå VEAS viste at prosessen med denitrifikasjon var til stades i biofilm utsett for begge vaskeprosedyrene under aerobe forhold. Forsøket indikerte vidare at prosessen med denitrifikasjon vart driven av det høge oksygenkonsumet frå nitrifikasjon i Leca biofilmen. Leca biofilmen utsett for den originale vaskeprosedyra hadde ein betydeleg auke i heterotrof aktivitet før vask og i O2 konsum og produksjon av N2O og N2. Dermed, i motsetning til resultata basert på 16S rDNA amplikon-sekvenseringa, indikerte det robotiserte inkubasjonseksperimentet at den originale vaskeprosedyra førte til eit meir ugunstig biofilmsamfunn med omsyn til nitrifisering. At Vestfjorden Avløpsselskap (VEAS) nitrification is performed in a fixed film process where lightweight expanded clay aggregate (Leca) is used as carrier material. Washing of these nitrifying biofilters are necessary to remove excess biomass and to prevent fast growing heterotrophic organisms to out-compete slow growing autotrophic nitrifiers, due to high concentrations of organic material in incoming wastewater. VEAS has experienced problems with loss of filter mass from the nitrifying biofilters during the process of washing. This has led to reduced nitrifying capacity and problems in different parts of the plant. To reduce the loss of filter mass VEAS has changed the original washing procedure. This new washing procedure has previously been found to reduce the loss of Leca biofilm carriers, but the effect on nitrification efficiency and bacterial community composition has not been investigated. This study set out to investigate the differences in bacterial community composition and activity of nitrifying and denitrifying bacteria in Leca biofilms exposed to the new and original washing procedure. The new washing procedure was implemented in a process hall with four nitrifying biofilters, while the original washing procedure was conducted in an equivalent process hall with four nitrifying biofilters at VEAS. In this study Leca biofilm samples from these nitrifying filters were used to compare the new and original washing procedure. This was done by small scale batch experiments to estimate nitrification capacity in Leca biofilm, analysis of the process of nitrification and denitrification in biofilm through monitoring of gas kinetics and characterisation of Leca biofilm communities with the use of Illumina sequencing of 16S rDNA amplicons. The bacterial community composition in Leca biofilm at VEAS was dominated by Betaproteobacteria, Alphaproteobacteria, Nitrospira and Actinobacteria. The nitrifying bacterial community had the highest relative abundance of nitrite oxidizing bacteria (NOB) and was dominated by one Nitrospira-zOTU, which by phylogenetic analysis showed evolutionary relationship to Nitrospira Salsa. The relative abundance of ammonium oxidising bacteria was low in comparison with the abundance of NOB. This study has shown that the composition and diversity of Leca biofilm changed over time and that the washing procedures influenced the community structure. It appeared that the new washing procedure led to a biofilm community which was more susceptible to changes in ammonium concentration in incoming wastewater than Leca biofilm exposed to the original washing procedure. The immediate effect of washing on bacterial community composition was generally low, but there was a notable effect when the number of repetitions with draining followed by scouring with water and air in the filter was increased with the new washing procedure. This led to a decrease in relative abundance of nitrifiers, and small-scale batch experiments revealed reduced nitrification rate in these Leca biofilm communities. There was also observed an effect of the depth in nitrifying biofilters on Leca biofilm exposed to both washing procedures. The bacterial diversity was higher in samples from the top of the nitrifying filter compared with samples from the bottom of the filter. Monitoring of gas kinetics in batch experiments with Leca biofilm samples from VEAS revealed that the process of denitrification was present in biofilm exposed to both washing procedures under aerobic conditions. The experiment further indicated that the process of denitrification could be driven by the high oxygen consumption from nitrification in the Leca biofilm. Leca biofilm exposed to the original washing procedure had a considerable increase in heterotrophic activity between two washing events and in addition a distinct increase in O2 consumption and production of N2O and N2. Thus, in contrast to the results based on 16S rDNA amplicon sequencing, the robotized incubation experiment indicated that the original washing procedure led to a more unfavourable biofilm community in regards of nitrification.
|