Eliminaciones efectivas simultáneas de carbono y nitrógeno y recuperación de fósforo en un sistema integrado de biorreactor de membrana aireado intermitentemente

Scientific Reports volumen 5, Número de artículo: 16281 (2015) Citar este artículo

3505 Accesos

11 citas

1 Altmetric

Detalles de métricas

La recuperación de nutrientes, especialmente los recursos de fosfato, de las aguas residuales ha atraído un interés creciente recientemente. En este documento, se desarrolló un biorreactor de membrana aireada intermitentemente (MBR) con un filtro de malla para la demanda química de oxígeno (DQO), el nitrógeno total (TN) y la eliminación simultánea de fósforo, seguida de la recuperación de fósforo del lodo rico en fósforo. Este sistema integrado mostró rendimientos mejorados en nitrificación y desnitrificación y eliminación de fósforo sin exceso de lodo descargado. La eliminación de DQO, TN y fósforo total (TP) en un MBR modificado se promedió en 94,4 ± 2,5 %, 94,2 ± 5,7 % y 53,3 ± 29,7 %, respectivamente. La PT eliminada se almacenó en biomasa y el 68,7 % del fósforo almacenado en el lodo se pudo recuperar como solución concentrada de fosfato con una concentración de fosfato superior a 350 mg/L. El lodo después de la liberación de fósforo podría devolverse al MBR para la absorción de fósforo y se podría recuperar el 83,8% de su capacidad.

La descarga excesiva de nitrógeno y fósforo en los cuerpos de agua da como resultado la eutrofización y la mala calidad del agua1, lo que amenaza la salud y el medio ambiente de vida de los seres humanos2. Si bien, irónicamente, los recursos de estos nutrientes esenciales, especialmente el fósforo explotable, son limitados y se están convirtiendo en material estratégico para muchos países3. Por lo tanto, la eliminación y recuperación de estos nutrientes de las aguas residuales no solo tiene los beneficios adicionales de minimizar la eutrofización del cuerpo de agua, sino también aliviar la posible crisis de fósforo4,5. Por estas razones, el proceso de recuperación de fosfato debe integrarse en las plantas de tratamiento de aguas residuales existentes para la eliminación de nutrientes6,7.

Los enfoques biológicos han sido ampliamente utilizados en las plantas de tratamiento de aguas residuales para la eliminación de nitrógeno y fósforo8,9,10. Al alternar los procesos anaeróbico-anóxico-aeróbico (A2O), devolver las aguas residuales y los lodos y descargar los lodos ricos en fosfato del sistema como lodo en exceso, se puede lograr la eliminación simultánea de nitrógeno y fósforo11,12. Sin embargo, estas tecnologías convencionales de tratamiento de aguas residuales aún presentan severas limitaciones técnicas, económicas y de sostenibilidad causadas por su operación compleja y eliminación de lodos, altos requerimientos de energía, mala calidad del efluente y ningún proceso de recuperación de fósforo13.

En los últimos años, el proceso MBR ha ganado una aplicación cada vez mayor debido a su alta eficiencia de tratamiento, baja producción de lodos y buena calidad del efluente14,15,16. Se ha informado que un MBR aireado se puede conectar con procesos anaeróbicos y/o anóxicos para lograr la eliminación simultánea de carbono, nitrógeno y fósforo durante el tratamiento de aguas residuales17,18,19. Sin embargo, estos procesos simplemente conectan algunos reactores individuales en secuencias, lo que aumenta la complejidad de la operación. En los últimos años, se han desarrollado MBR con aireación intermitente para el tratamiento de aguas residuales y se estudió el efecto de alternar el modo encendido/apagado de la aireación en el rendimiento del sistema20,21,22. En nuestro estudio anterior, se desarrolló un MBR aireado de forma intermitente con un filtro de malla de acero inoxidable para eliminar simultáneamente la demanda química de oxígeno (DQO) y el nitrógeno en modo de flujo continuo sin que se descargue un exceso de lodo23. Sin embargo, la remoción de fósforo no fue investigada en ese sistema. Para que esta tecnología sea más viable en la práctica, es necesario optimizar aún más la configuración y el funcionamiento del sistema y considerar la eliminación y recuperación de fósforo. En realidad, algunas estrategias para la recuperación de fósforo de las aguas residuales mediante la remoción biológica mejorada de fósforo modificada24,25 o la precipitación de fósforo inducida biológicamente26 podrían usarse como referencia en el MBR aireado intermitentemente.

En este documento, se diseñó un MBR aireado intermitentemente para mejorar la recuperación de fósforo de las aguas residuales en este trabajo. El presente estudio investigó el potencial de la eliminación simultánea de DQO, TN y TP en un solo reactor sin descargar un exceso de lodo. Además, se exploró la recuperación de fósforo. Además, se analizó el mecanismo de eliminación de TN y TP en el MBR aireado intermitentemente.

En este estudio, se construyó un MBR a escala de banco con filtro de malla de acero inoxidable y la estructura se ilustra en la Fig. 1. El reactor tipo columna consta de un tanque de aireación y un módulo de filtro sumergido. El módulo de filtro tubular de malla hueca se sumergió en el reactor para formar una configuración de bucle interno. Un tubo de aireación microporoso está equipado en la parte inferior del reactor para suministrar burbujas de aire finas, mientras que una batidora eléctrica se coloca debajo del módulo de filtro hueco para mezclar fluidos durante los períodos sin aireación.

(A) Diagrama esquemático y (B) fotografía del sistema MBR.

Durante la operación a largo plazo, la alternancia de circunstancias aeróbicas/anóxicas fue proporcionada por el apagado periódico de la aireación. Diferentes reacciones bioquímicas, como la biodegradación heterótrofa de DQO, la nitrificación, la desnitrificación y la absorción y liberación de fósforo por parte de los organismos acumuladores de polifosfato, ocurrieron en el ciclo aeróbico/anóxico alterno, lo que dio como resultado cambios en el OD y el pH de la solución, que se muestran en la Fig. 2. La concentración de OD aumentó lentamente tan pronto como comenzó la aireación y alcanzó 5 mg/L al final de la fase aeróbica y luego cayó rápidamente a cero en la etapa inicial de la fase anóxica cuando se apagó la bomba de aire.

Perfiles de cambio de OD y pH en un ciclo aeróbico/anóxico típico.

El pH cambió con los ciclos de encendido/apagado de la aireación en un patrón similar a los cambios de OD, pero se retrasó ligeramente (Fig. 2). El cambio de pH resultante de la alternancia de procesos aerobios/anóxicos favorecería la precipitación de fosfato en los lodos26,27,28. El agua residual se alimentó continuamente al reactor a través de una bomba peristáltica (Lange Co., China) a un caudal constante (0,5 o 0,67 L/h). El tiempo de retención hidráulica (HRT) correspondiente fue de 8 o 6 h, respectivamente. El rendimiento del sistema en términos de COD, TN y TP a diferentes HRT y concentraciones de afluentes se muestra en la Fig. 3. Y las eficiencias de eliminación de nutrientes también se resumen en la Tabla 1. El sistema muestra un excelente rendimiento en la eliminación de COD y TN durante la operación. Las concentraciones de COD y TN del efluente durante todo el período del experimento promediaron 17,7 ± 8,3 mg/L y 1,5 ± 1,4 mg/L, respectivamente. En consecuencia, las eficiencias de eliminación de COD y TN promediaron 94,4 ± 2,5 % y 94,2 ± 5,7 %, respectivamente.

Rendimiento del tratamiento del reactor con respecto a: (A) DQO; (B) TN; (C) Eliminación de PT. (■) Concentración del influente, (▲) concentración del efluente y (○) eficiencia de remoción.

La remoción de PT se vio afectada por la concentración de fósforo afluente, HRT y la condición de la biomasa. Se logró una eliminación promedio de TP de 66,4 ± 19,2 % con un bajo nivel de fósforo entrante de 6,7 ± 1,1 mg/L en el ensayo 1. Cuando el fósforo entrante se incrementó a 12 mg/L en el ensayo 2, la eficiencia de eliminación de TP se redujo a 45,1 ± 11,5%. En la ejecución 3, la eficiencia de eliminación de TP se deterioró aún más y la capacidad de absorción de fósforo del lodo activado casi se perdió, lo que indica la saturación del lodo activado para la absorción de fósforo. Al final de la ejecución 3, el lodo rico en fósforo se extrajo del reactor para la liberación del fósforo en el lodo. La capacidad de absorción de fósforo del lodo activado se recuperó parcialmente y el rendimiento del sistema de eliminación de DQO y TN seguía siendo alto después de que el lodo se devolviera al MBR (Fig. 3). Este resultado implica que el lodo rico en fósforo en tal MBR aireado intermitente puede reciclarse.

Los cambios de MLSS y MLVSS en el MBR, así como el TP en la biomasa a lo largo del tiempo, se muestran en la Fig. 3. La concentración inicial de MLSS y la relación inicial de MLVSS/MLSS fueron de aproximadamente 7 g/L y 73 %, respectivamente. Durante la operación, la concentración de MLSS aumentó lentamente mientras que la relación MLVSS/MLSS disminuyó ligeramente y luego se mantuvo en niveles relativamente constantes de 11 g/L y 68 %. El MBR tenía una tasa de carga de DQO promedio de 2,18 kg DQO/m3/día. Se obtuvo un bajo rendimiento de lodos de 0,0275 kg MLSS/kg COD en este MBR aireado intermitentemente.

Durante el experimento, no se desperdiciaron lodos debido a la baja producción de lodos, debido a un SRT prolongado en el MBR aireado intermitentemente. Al mismo tiempo, la excelente retención de lodos por la membrana permitió una alta concentración de lodos en los lodos, lo que también contribuyó a la eficiencia en la eliminación de nutrientes y la producción de agua efluente de alta calidad.

Como se muestra en la Fig. 4, la TP en la biomasa aumentó lentamente en la etapa inicial y luego fluctuó alrededor de 50 mg TP/g MLSS. Cuando se liberó el fósforo en el lodo, la TP en la biomasa disminuyó a alrededor de 11 mg TP/g MLSS. Después de que el lodo se devolviera al reactor, aumentó a aproximadamente 40 mg TP/g MLSS durante la operación posterior.

Cambios de MLSS, MLVSS y la TP en biomasa en la RBM en los experimentos.

El lodo activado en el MBR podría absorber fósforo del sobrenadante y almacenarlo en biomasa. Para determinar la capacidad de liberación de fósforo de los organismos acumuladores de polifosfato (PAO) y el rendimiento de absorción de fósforo del lodo activado después de la liberación de fósforo, el lodo del MBR se extrajo del reactor el día 43 y luego se mezcló con una fuente concentrada de carbono adicional. acetato de sodio. Como se muestra en la Fig. 5, el fósforo se liberó rápidamente tan pronto como el acetato se agregó al lodo y la concentración de orthoP en el sobrenadante aumentó a aproximadamente 364 mg/L. Implica que alrededor del 70% del fósforo en el lodo activado se recuperó al comparar el fósforo total en la biomasa antes de la liberación.

Medición de fosfato y acetato durante pruebas anaeróbicas por lotes con adición de acetato realizadas el día 43.

En este estudio se ha demostrado la viabilidad del enriquecimiento de fósforo y el reciclaje de lodos. Se podría liberar alrededor del 68,7% de fósforo del lodo. Después de la liberación de fósforo, la biomasa se devolvió al MBR y se evaluó su rendimiento de absorción de fósforo (ejecución 4). Como se muestra en la Fig. 3 y la Tabla 1, los lodos reciclados aún exhibieron un excelente rendimiento de eliminación de COD y TN. Al mismo tiempo, se pudo eliminar alrededor del 58,3 ± 25,6% del fósforo. Después de 15 días de funcionamiento en la serie 4, la cantidad total de fósforo en la biomasa aumentó a 1,16 g, lo que representa el 69,5 % de la cantidad de fósforo liberado. Este resultado sugiere que la mayor parte de la capacidad de absorción de fósforo del lodo reciclado podría recuperarse.

Para analizar el mecanismo de eliminación de nitrógeno y fósforo en el MBR aireado intermitentemente, se midieron las bioactividades del lodo para la eliminación de DQO, TN y TP al final de la ejecución 3. Como se muestra en la Fig. 6A, B, la tasa de nitrificación ( NR) y la tasa de desnitrificación (DNR) de las muestras de lodo fueron 1,85 mg N/g MLVSS/h y 5,14 mg N/g MLVSS/h respectivamente, lo que implica una alta bioactividad del lodo para la eliminación de nitrógeno. Cuando se consumió acetato, la DNR disminuyó a 0,94 mg N/g MLVSS/h, lo que se denominó tasa de desnitrificación endógena (EDNR). Las altas bioactividades del lodo para la eliminación de nitrógeno y la alta concentración de lodo, así como la gran cantidad de nitrificantes y desnitrificantes (Figura S1) en el MBR intermitente también contribuyeron a la alta eliminación de nitrógeno.

Las bioactividades del lodo en el día 43 en términos de: (A) nitrificación; (B) desnitrificación; (C) liberación de fósforo anaeróbico y (D) tasa de absorción de fósforo por desnitrificación anóxica.

En este MBR intermitentemente aireado, las PAO, incluidas las PAO desnitrificantes, desempeñaron un papel importante en la eliminación de fósforo. La figura 6C mostró la curva de liberación de fósforo en condiciones anaeróbicas. El COD se tomó rápidamente con el lanzamiento del PO43--P. La muestra de lodo después de la liberación de fosfato se usó para determinar la tasa de absorción de fósforo de desnitrificación anóxica de PAO. La figura 6D mostró la variación de las concentraciones de PO43--P y NO3--N en condiciones anóxicas. Tanto las concentraciones de PO43--P como de NO3--N disminuyeron inmediatamente tan pronto como se agregó el nitrato, lo que implica que la absorción de fósforo desnitrificante se produjo en condiciones anóxicas usando nitrato como aceptor de electrones en lugar de oxígeno para oxidar el poli-β-hidroxibutirato. Por lo tanto, había dos vías para la eliminación de fósforo en el MBR aireado intermitentemente. En la fase aeróbica, los PAO podrían asimilar el fósforo externo para la recuperación de polifosfato. En la fase anóxica, los DPAO con una mayor absorción de fósforo con un ahorro significativo de DQO contribuirían a la eliminación de nitrógeno y fósforo. Estudios previos han informado que el uso de nitrato en lugar de oxígeno como aceptor de electrones para eliminar simultáneamente el fósforo y el nitrógeno de las aguas residuales conduce a un menor rendimiento de lodos, así como a una eliminación eficiente de DQO29,30.

La turbidez del efluente fue monitoreada durante la mayor parte del período de operación. La baja turbidez del efluente indicó la buena retención de la biomasa por el filtro de malla en el reactor (datos no mostrados). En este filtro de malla MBR, el proceso de filtración fue impulsado por gravedad. Durante el período de operación, los flujos de permeación del MBR se mantuvieron alrededor de 20–27 L/m2/h. Como se muestra en la Fig. 7, la TMP aumentó gradualmente con el lento desarrollo de la biopelícula en la malla en el período inicial. Sin embargo, después de una operación a largo plazo, la biopelícula adherida a la malla de acero se espesa y la TMP aumenta considerablemente. Cuando alcanzó aproximadamente 1 kPa, se llevó a cabo periódicamente un retrolavado fuera de línea para eliminar la biopelícula sobrecrecida y la TMP cayó inmediatamente después de cada retrolavado. Después de la limpieza inicial, el TMP disminuyó principalmente a su nivel inicial, sin embargo, se necesitó una limpieza de malla más frecuente en la etapa posterior de la operación, lo que implica que se produciría un ensuciamiento irreversible después de una operación a largo plazo.

Variación de la caída de agua durante la operación a largo plazo.

La eliminación simultánea de DQO, TN y TP en un solo reactor es favorable para el tratamiento de aguas residuales debido a su beneficio económico y respeto al medio ambiente31,32. En este documento, se desarrolló un biorreactor de membrana aireada intermitentemente con un filtro de malla de acero inoxidable para la eliminación simultánea de contaminantes y la recuperación de nutrientes, con especial énfasis en la recuperación de fósforo de las aguas residuales. La corriente de fosfato concentrado se liberó del lodo rico en fósforo al agregar una fuente adicional de carbono. Lo que es más importante, el lodo se recicló y no se descargó un exceso de lodo durante los experimentos, lo que significa que se pudo ahorrar el costo de la eliminación del lodo. Además, la operación de aireación intermitente promete reducir el consumo de energía en los MBR. En este estudio, con una relación de tiempo de encendido/apagado de la aireación de 25 min/20 min, se pudo reducir alrededor del 44 % de la energía de aireación en comparación con los sistemas de aireación continua.

En este estudio, el MBR aireado intermitentemente mostró mayores eficiencias de eliminación de DQO, TN y TP en comparación con otros sistemas de eliminación de nutrientes biológicos. Para el proceso de eliminación de nitrógeno, se logró una nitrificación completa durante la mayoría de los períodos experimentales, mientras que la desnitrificación se mejoró mediante la inserción de una fase anóxica en el sistema. Para el proceso de eliminación de fósforo, los PAO podrían asimilar el fósforo externo en la fase aeróbica, mientras que los PAO desnitrificantes contribuirían a la eliminación de nitrógeno y fósforo en la fase anóxica. El proceso de desnitrificación de PAO es capaz de realizar simultáneamente la desnitrificación y la absorción anóxica de fósforo y es ventajoso para ahorrar aireación, reducir la demanda de fuentes externas de carbono y minimizar la producción de lodos. Los resultados de nuestro experimento mostraron que la absorción de fósforo desnitrificante podría ocurrir usando nitrato como aceptor de electrones en lugar de oxígeno en el MBR intermitente (Fig. 6D). Las imágenes FISH (Figura S1) confirmaron la presencia de PAO que dominaron la biomasa MBR aireada intermitentemente, que podría realizar las actividades de desnitrificación33. En nuestra investigación futura, es necesario investigar la contribución de los PAO desnitrificantes en la eliminación de fosfato en el MBR intermitente.

Los procesos anóxicos/aeróbicos alternos en la RBM aireada intermitentemente dieron como resultado una alta actividad microbiana de bacterias nitrificantes, bacterias desnitrificantes y PAO en la RBM. Los resultados sugieren que la selección metabólica a través de procesos anóxicos/aeróbicos alternos tiene el potencial de mejorar las bioactividades y, por lo tanto, mejorar la eliminación de nitrógeno y fósforo en el MBR aireado intermitentemente. La excelente retención de lodos por membrana permitió altas concentraciones de lodos, lo que también contribuyó a mejorar los microorganismos de crecimiento lento y así mejorar las actividades nitrificantes y desnitrificantes en la RBM.

Al igual que nuestros informes anteriores34,35,36, la utilización de mallas de acero inoxidable baratas en este estudio, como alternativa a la membrana convencional de microfiltración/ultrafiltración, puede reducir los costos de construcción de MBR, aumentar la viabilidad económica y promover la aplicación de dichos procesos37,38. En este filtro de malla MBR, el proceso de filtración fue impulsado por gravedad. La demanda de energía para drenar el agua, así como el ensuciamiento de la membrana en el MBR modificado, se reducirá en comparación con el MBR39 convencional.

El sistema MBR modificado integra tanto la eliminación de nutrientes como la recuperación de fósforo, lo que presenta un sistema prometedor para el tratamiento de aguas residuales y la recuperación de recursos. En este estudio, la eliminación de fósforo total en un MBR modificado tuvo un promedio de 53,3 ± 29,7 %. La PT extraída de las aguas residuales se almacenó en biomasa y el 68,7 % del fósforo almacenado en los lodos se pudo recuperar como solución de fosfato altamente concentrada, cuya concentración era unas 30 veces mayor que la de las aguas residuales y era suficiente para la precipitación química40. Concentraciones más altas de fosfato conducirían a una recuperación de fósforo más eficaz, es decir, utilizando directamente como fertilizante o precipitando como fosfato amónico magnésico (estruvita)41. Si se adopta una estrategia de este tipo para una planta de tratamiento de aguas residuales con una capacidad de 50.000 m3/día y una concentración de fósforo entrante de 10 mg/L, se podría eliminar una cantidad de fósforo de las aguas residuales entrantes de unos 267 kg/día y casi 200 kg/día. el fósforo diario podría enriquecerse como solución concentrada de fosfato, acompañado de la producción de agua regenerada de alta calidad. En este estudio, se evaluaron los rendimientos del sistema y se investigó el mecanismo de eliminación simultánea de nitrógeno y fósforo. Sin embargo, para promover la aplicación práctica de esta tecnología, se debe mejorar aún más la eficiencia de eliminación de fósforo y la capacidad de recuperación de fósforo del sistema MBR.

En este estudio, se construyó un MBR a escala de banco con filtro de malla de acero inoxidable (Huayang Ironware Co., China) y la estructura se ilustra en la Fig. 1. El reactor tipo columna tiene un volumen de trabajo de 4 L y consta de un tanque de aireación y un módulo de filtro sumergido. El módulo de filtro tubular de malla hueca, con un tamaño medio de poro de 53 μm y un área de filtración efectiva de 0,025 m2, se sumergió en el reactor para formar una configuración de bucle interno. Un tubo de aireación microporoso está equipado en la parte inferior del reactor para suministrar burbujas de aire finas, mientras que una batidora eléctrica se coloca debajo del módulo de filtro hueco para mezclar fluidos durante los períodos sin aireación.

El tanque de aireación se sembró con lodo activado de un reactor biológico mejorado de eliminación de fósforo. La concentración inicial de sólidos suspendidos en el licor mixto (MLSS) fue de 7,85 g/l. No se descargó ningún exceso de lodo durante todo el período experimental, excepto para el análisis de muestras.

Se utilizó agua residual sintética, que contenía CH3COONa·3H2O, NH4Cl y K2HPO4·3H2O como fuentes de carbono, nitrógeno y fósforo, respectivamente. Las concentraciones de DQO, NH4+-N y PO43--P en el afluente durante los experimentos se enumeran en la Tabla 1. Se agregaron otros elementos traza al agua residual sintética. La composición de la solución de oligoelementos (en μg/L) fue: EDTA, 50, ZnSO4·7H2O, 22, CaCl2·2H2O, 8,2, MnCl2·4H2O, 5,1, FeSO4·7H2O, 5,0, (NH4)6Mo7O24·4H2O, 1,1, CuSO4·5H2O, 1,8, CoCl2·6H2O, 1,6. El agua residual se alimentó continuamente al reactor a través de una bomba peristáltica (Lange Co., China) a un caudal constante (0,5 o 0,67 L/h). El tiempo de retención hidráulica (HRT) correspondiente fue de 8 o 6 h, respectivamente. La temperatura se controló a 25 ± 1 oC durante el experimento. La presión transmembrana (TMP) a través de la malla, reflejada por la caída del agua, se controló en línea mediante un transmisor de presión (LD187, Leide Electronic Ltd., China). La TMP aumentaría cuando la biopelícula adherida a la malla se volviera gruesa. Una vez que la TMP alcanzó 1,0 kPa, se llevó a cabo un retrolavado fuera de línea para eliminar la biopelícula sobrecrecida. Se llevó a cabo una aireación intermitente, con una relación de período aeróbico/anóxico de 20 min/25 min, que se controló automáticamente mediante un relé de tiempo (Xinling Electrical Co., Ltd. China). Durante la fase anóxica, el reactor se agitó continuamente usando una batidora eléctrica.

Se evaluó la recuperación de fósforo de los lodos y la capacidad de absorción de fósforo de los lodos reciclados a lo largo del tiempo. El día 43, se extrajo todo el lodo del MBR, se lavó cinco veces con agua del grifo para eliminar la DQO residual, NH4+-N, NO3--N y luego se mezcló con acetato de sodio concentrado y se diluyó a un volumen de 4,6 L para liberar fósforo. Después de 3 horas de mezclado, el lodo se centrifugó a 7100 × g durante 3 min para eliminar el sobrenadante. El lodo recolectado después de la liberación de fósforo se devolvió al MBR para la eliminación de fósforo.

MLSS, sólidos suspendidos volátiles de licor mixto (MLVSS), DQO, TN, concentraciones de TP y turbidez se midieron siguiendo los métodos estándar42. Las mediciones de NH4+-N, NO3--N, PO43--P se realizaron utilizando un autoanalizador de calidad del agua (Aquakem 200, ThermoFisher, Finlandia) de acuerdo con los métodos estándar. La concentración de OD y el pH se monitorearon con un medidor de OD (HQ 30d, Hach Co., EE. UU.) y un medidor de pH (PHS-3C, INESA Scientific Instrument Co., Led, China).

Se investigaron las bioactividades de los lodos en términos de tasa de nitrificación específica (SNR), tasa de desnitrificación específica (SDNR), tasa de liberación de fósforo anaeróbico y tasa de absorción de fósforo en condiciones anóxicas. Las muestras de lodo activado se tomaron del MBR aireado intermitentemente el día 43 para determinar las bioactividades de nitrificación, desnitrificación y liberación anaeróbica de fósforo del lodo. Se purgó gas nitrógeno a través de cada reactor para mantener las condiciones anaeróbicas o anóxicas, cuando fue necesario.

Para determinar la SNR, la muestra de lodo se enriqueció con cloruro de amonio a una concentración de aproximadamente 55 mg/L NH4+-N. Durante este experimento por lotes, el nivel de OD se controló en alrededor de 5 mg/l al encender y apagar la bomba de aireación. Para medir la actividad de desnitrificación del lodo activado en el sistema, se determinó SDNR siguiendo el método descrito en un estudio previo43. Para medir la tasa de liberación de fósforo anaeróbico, se dosificó acetato en el reactor hasta una concentración de DQO equivalente final de 350 mg/l al inicio. Después de la liberación completa del fosfato, el lodo se centrifugó y se lavó para eliminar la DQO y el fosfato residuales. Luego, se agregaron NaNO3 y K2HPO4 · 3H2O a la muestra de lodo en condiciones anóxicas para determinar la tasa de absorción de fósforo de los organismos acumuladores de polifosfato desnitrificantes.

Cómo citar este artículo: Wang, Y.-K. et al. Eliminaciones efectivas simultáneas de carbono y nitrógeno y recuperación de fósforo en un sistema integrado de biorreactor de membrana aireado intermitentemente. ciencia Rep. 5, 16281; doi: 10.1038/srep16281 (2015).

Conley, DJ et al. Control de la Eutrofización: Nitrógeno y Fósforo. Ciencia 323, 1014–1015, (2009).

Artículo CAS Google Académico

Carey, RO & Migliaccio, KW Contribución de los efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales a la dinámica de nutrientes en sistemas acuáticos: una revisión. Reinar. Administrar. 44, 205–217, (2009).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Gilbert, N. Medio ambiente: El nutriente que desaparece. Naturaleza 461, 716–718, (2009).

Artículo CAS Google Académico

Huang, H., Xiao, D., Liu, J., Hou, L. y Ding, L. Recuperación y eliminación de nutrientes de las aguas residuales porcinas mediante el uso de un nuevo reactor integrado para la descomposición y el reciclaje de estruvita. ciencia Rep. 5, 10183, (2015).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Elser, J. & Bennett, E. Ciclo del fósforo: un ciclo biogeoquímico roto. Naturaleza 478, 29–31, (2011).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Le Corre, KS, Valsami-Jones, E., Hobbs, P. & Parsons, SA Recuperación de fósforo de aguas residuales por cristalización de estruvita: una revisión. crítico Rev. Medio Ambiente. ciencia Tecnología 39, 433–477, (2009).

Artículo CAS Google Académico

Hao, X., Wang, C., van Loosdrecht, MC y Hu, Y. Mirando más allá de la estruvita para la recuperación de P. Reinar. ciencia Tecnología 47, 4965–4966, (2013).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Ahmed, Z. et al. Eliminación biológica de nitrógeno y fósforo y cambios en la estructura de la comunidad microbiana en un biorreactor de membrana: efecto de diferentes fuentes de carbono. Agua Res. 42, 198–210, (2008).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Hano, T., Matsumoto, M., Kuribayashi, K. y Hatate, Y. Eliminación biológica de nitrógeno en una columna de burbujas con un tubo de aspiración. química Ing. ciencia 47, 3737–3744, (1992).

Artículo CAS Google Académico

Martín, HG et al. Análisis metagenómico de dos comunidades de lodos de eliminación biológica mejorada de fósforo (EBPR). Nat. Biotecnología. 24, 1263–1269, (2006).

Artículo CAS Google Académico

Fu, ZM, Yang, FL, An, YY & Xue, Y. Nitrificación y desnitrificación simultáneas junto con eliminación de fósforo en un biorreactor de membrana anóxica/óxica modificada (A/O-MBR). Bioquímica Ing. J. 43, 191–196, (2009).

Artículo CAS Google Académico

Lesjean, B., Gnirss, R. y Adam, C. Configuraciones de proceso adaptadas a biorreactores de membrana para una eliminación biológica mejorada de fósforo y nitrógeno. Desalinización 149, 217–224, (2002).

Artículo CAS Google Académico

Posadas, E. et al. Eliminación de carbono y nutrientes de concentrados y aguas residuales domésticas utilizando biorreactores de biopelículas de algas y bacterias. Biorrecursos. Tecnología 139, 50–58, (2013).

Artículo CAS Google Académico

Phattaranawik, J. & Leiknes, T. Biorreactor de membrana de biopelícula aireada de dos pisos con control de lodos para el tratamiento de aguas residuales municipales. AlChE J. 55, 1291–1297, (2009).

Artículo CAS Google Académico

Skouteris, G., Hermosilla, D., Lopez, P., Negro, C. & Blanco, A. Biorreactores de membrana anaerobia para el tratamiento de aguas residuales: una revisión. química Ing. J. 198, 138–148, (2012).

Artículo Google Académico

Huang, J. et al. Una nueva membrana de microfiltración conductiva compuesta y su rendimiento antiincrustante con un campo eléctrico externo en biorreactores de membrana. ciencia Rep. 5, 9268, (2015).

Artículo CAS Google Académico

Yuan, ZH, Yang, XY, Hu, AY y Yu, CP Impactos a largo plazo de las nanopartículas de plata en un sistema de biorreactor de membrana anaeróbico-anóxico-óxico. química Ing. J. 276, 83–90, (2015).

Artículo CAS Google Académico

Brown, P., Ong, SK & Lee, YW Influencia del tiempo de retención hidráulica anóxica y anaeróbica en la eliminación biológica de nitrógeno y fósforo en un biorreactor de membrana. Desalinización 270, 227–232, (2011).

Artículo CAS Google Académico

Liu, HB, Yang, CZ, Pu, WH y Zhang, JD Eliminación de nitrógeno de las aguas residuales para su reutilización como agua de alimentación de calderas mediante un biorreactor anaeróbico/aeróbico/de membrana. química Ing. J. 140, 122–129, (2008).

Artículo CAS Google Académico

Judd, S., Alvarez-Vazquez, H. & Jefferson, B. El impacto de la aireación intermitente en la operación de biorreactores de membrana tubular de elevación de aire en condiciones subcríticas. Ciencia sep. Tecnología 41, 1293–1302, (2006).

Artículo CAS Google Académico

Hong, SH et al. Los efectos de la aireación intermitente en las características de las capas de biotorta en un biorreactor de membrana. Reinar. ciencia Tecnología 41, 6270–6276, (2007).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Guglielmi, G. & Andreottola, G. Operación anóxica/aeróbica alternativa para la eliminación de nitrógeno en un biorreactor de membrana para el tratamiento de aguas residuales municipales. ciencia del agua Tecnología 64, 1730–1735, (2011).

Artículo CAS Google Académico

Wang, YK et al. Eliminaciones simultáneas de carbono y nitrógeno en un biorreactor de membrana con filtro de malla: un enfoque experimental y de modelado. química Ing. ciencia 95, 78–84, (2013).

Artículo CAS Google Académico

Kodera, H. et al. Recuperación de fosfato como solución concentrada de aguas residuales tratadas por un reactor de biofilm enriquecido con PAO. Agua Res. 47, 2025–2032, (2013).

Artículo CAS Google Académico

Wong, PY, Cheng, KY, Kaksonen, AH, Sutton, DC y Ginige, MP Una nueva configuración posterior a la desnitrificación para la recuperación de fósforo utilizando organismos acumuladores de polifosfato. Agua Res. 47, 6488–6495, (2013).

Artículo CAS Google Académico

Mañas, A., Biscans, B. & Spérandio, M. Precipitación de fósforo inducida biológicamente en procesos aeróbicos de lodos granulares. Agua Res. 45, 3776–3786, (2011).

Artículo Google Académico

Wang, YY et al. Impacto a largo plazo del tiempo de reacción anaeróbica en el rendimiento y las características granulares de los sistemas de eliminación de fósforo biológicos desnitrificantes granulares. Agua Res. 47, 5326–5337, (2013).

Artículo CAS Google Académico

Saidou, H., Korchef, A., Ben Moussa, S. & Ben Amor, M. Precipitación de estruvita mediante la técnica de desgasificación de CO2 disuelto: impacto de la tasa de flujo de aire y el pH. Chemosphere 74, 338–343, (2009).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Ahn, J., Daidou, T., Tsuneda, S. & Hirata, A. Caracterización de organismos acumuladores de fosfato desnitrificantes cultivados en diferentes condiciones de aceptor de electrones mediante el ensayo de electroforesis en gel de gradiente desnaturalizante de la reacción en cadena de la polimerasa. Agua Res. 36, 403–412, (2002).

Artículo CAS Google Académico

Kuba, T., van Loosdrecht, MCM & Heijnen, JJ Eliminación de fósforo y nitrógeno con requisitos mínimos de DQO mediante la integración de la desfosfatación y la nitrificación desnitrificantes en un sistema de dos lodos. Agua Res. 30, 1702–1710, (1996).

Artículo CAS Google Académico

Sibag, M. & Kim, HS La eliminación biológica mejorada de fósforo por desnitrificación por desnitrificación (NDEBPR, por sus siglas en inglés) ocurre en un biorreactor de membrana hipóxica/óxica alternante a escala de laboratorio. Biorrecursos. Tecnología 104, 173–180, (2012).

Artículo CAS Google Académico

Mulkerrins, D., Dobson, ADW y Colleran, E. Parámetros que afectan la eliminación biológica de fosfato de las aguas residuales. Reinar. En t. 30, 249–259, (2004).

Artículo CAS Google Académico

Zeng, RJ, Saunders, AM, Yuan, ZG, Blackall, LL & Keller, J. Identificación y comparación de organismos acumuladores de polifosfato aeróbicos y desnitrificantes. Biotecnología. Bioing. 83, 140–148, (2003).

Artículo CAS Google Académico

Wang, YZ et al. Hidrodinámica de un biorreactor electroquímico de membrana. ciencia Rep. 5, 10387 (2015).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Wang, YK, Sheng, GP, Shi, BJ, Li WW y Yu, HQ Un nuevo biorreactor de membrana electroquímica como potencial productor de energía neta para el tratamiento sostenible de aguas residuales. ciencia Rep. 3, 1864, (2013).

Artículo Google Académico

Wang, YK et al. Eliminaciones simultáneas de carbono y nitrógeno en un biorreactor de membrana con filtro de malla: un enfoque experimental y de modelado. química Ing. ciencia 95, 78–84, (2013).

Artículo CAS Google Académico

Fan, B. & Huang, X. Características de una membrana dinámica de autoformación acoplada con un biorreactor para el tratamiento de aguas residuales municipales. Reinar. ciencia Tecnología 36, 5245–5251, (2002).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Okamura, D., Mori, Y., Hashimoto, T. y Hori, K. Efectos de la degradación microbiana de los bioincrustantes en el rendimiento de la membrana de microfiltración en un biorreactor de membrana. Reinar. ciencia Tecnología 44, 8644–8648, (2010).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Zhang, JS, Zhou, JT, Liu, Y. y Fane, AG Una comparación del ensuciamiento de la membrana bajo cargas orgánicas constantes y variables en biorreactores de membrana sumergida. Agua Res. 44, 5407–5413, (2010).

Artículo CAS Google Académico

Cornel, P. & Schaum, C. Recuperación de fósforo de aguas residuales: necesidades, tecnologías y costos. ciencia del agua Tecnología 59, 1069–1076, (2009).

Artículo CAS Google Académico

Jaffer, Y., Clark, TA, Pearce, P. & Parsons, SA Recuperación potencial de fósforo por formación de estruvita. Agua Res. 36, 1834–1842 (2002).

Artículo CAS Google Académico

Métodos estándar APHA para el examen de agua y aguas residuales. 20 ed., Asociación Estadounidense de Salud Pública (1998).

Vocks, M., Adam, C., Lesjean, B., Gnirss, R. y Kraume, M. Postdesnitrificación mejorada sin la adición de una fuente de carbono externa en biorreactores de membrana. Agua Res. 39, 3360–3368, (2005).

Artículo CAS Google Académico

Descargar referencias

Los autores desean agradecer a NSFC (51178443, 51322802), Fok Ying Tong Education Foundation (142024), China Postdoctoral Science Foundation (2015M570596), Fundamental Research Funds of Shandong University (2015GN005), Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team en la Universidad y los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales por el apoyo parcial de este estudio.

Departamento de Química, Laboratorio Clave CAS de Conversión de Contaminantes Urbanos, Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hefei, 230026, China

Yun-Kun Wang, Xin-Rong Pan, Yi-Kun Geng y Guo-Ping Sheng

Escuela de Ciencias Ambientales e Ingeniería, Universidad de Shandong, Jinan, 250100, China

Yun-Kun Wang

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

YKW diseñó los experimentos, llevó a cabo los experimentos, escribió el artículo; XRP llevó a cabo los experimentos; YKG llevó a cabo los experimentos; GPS diseñó los experimentos, analizó los datos y escribió el artículo.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

Este trabajo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en la línea de crédito; si el material no está incluido bajo la licencia Creative Commons, los usuarios deberán obtener el permiso del titular de la licencia para reproducir el material. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Reimpresiones y permisos

Wang, YK., Pan, XR., Geng, YK. et al. Eliminaciones efectivas simultáneas de carbono y nitrógeno y recuperación de fósforo en un sistema integrado de biorreactor de membrana aireado intermitentemente. Informe científico 5, 16281 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16281

Descargar cita

Recibido: 24 junio 2015

Aceptado: 13 de octubre de 2015

Publicado: 06 noviembre 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16281

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Fronteras de la ciencia e ingeniería ambiental (2022)

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.