Identyfikacja, charakterystyka i modelowanie procesu COMAMMOX – nowego ogniwa w obiegu azotu w układach oczyszczania ścieków

Na Wydziale Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska prowadzony jest projekt pn. „Identyfikacja, charakterystyka i modelowanie procesu COMAMMOX – nowego ogniwa w obiegu azotu w układach oczyszczania ścieków”.  Kierownik projektu: prof. dr hab. inż. Jacek Mąkinia

Kierownik zadnia realizowanego w PW: dr hab. inż. Monika Żubrowska-Sudoł, prof. uczelni

Konsorcjum: Politechnika Gdańska – Lider, Politechnika Warszawska, Uniwersytetem Warmińsko-Mazurskim w Olsztynie. Całkowita kwota dofinansowania:  1 390 260 zł, w tym dla Politechniki Warszawskiej 499 860 zł.

Projekt finansowany ze środków NCN w ramach konkursu „OPUS 14”. Numer umowy UMO-2017/27/B/NZ9/010391. Lata realizacji 2018 -2021.

Streszczenie

1. Cel prowadzonych badań/hipoteza badawcza

Proces nitryfikacji jest ważnym etapem cyklu azotowego. Dotychczas nitryfikację uważano za proces dwuetapowy, który zachodzi przy udziale różnych grup mikroorganizmów. Jednakże całkowity proces nitryfikacji, tj. utlenianie amoniaku bezpośrednio do azotanów (ang. COMAMMOX), przez tylko jeden rodzaj mikroorganizmów należących do Nitrospira sp., został eksperymentalnie potwierdzony zaledwie kilka lata temu. Odkrycie to nadaje nowy wymiar bieżącemu zrozumieniu cyklu azotu (zwłaszcza nitryfikacji). Ponadto, daje to również możliwość zrewidowania podejścia do zarządzania procesem usuwania azotu w systemach oczyszczania ścieków wykorzystujących nowe procesy, takie jak deamonifikacja lub skrócona nitryfikacja/denitryfikacja poprzez azotyny (tzw. „nitrite shunt”).Pomimo iż istnienie „comammox” Nitrospira w systemach oczyszczania ścieków (zwłaszcza w błonie biologicznej) zostało już potwierdzone, ich znaczenie w procesie usuwania azotu nie zostało jeszcze zbadane. W związku z tym, celem projektu jest identyfikacja, scharakteryzowanie i modelowanie procesu comammox w cyklu azotu w różnych systemach oczyszczania ścieków.

2. Zastosowana metoda badawcza/metodyka

W celu potwierdzenia hipotezy badawczej powołano konsorcjum naukowe, w skład którego wchodzą zespoły badawcze z Politechniki Gdańskiej (PG), Politechniki Warszawskiej (PW) oraz Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie (UWM). Dzięki szczególnym kompetencjom partnerów konsorcjum naukowego w projekcie zostanie zastosowane nowe podejście badawcze, charakteryzujące się połączeniem kompleksowych badań kinetycznych w różnych systemach oczyszczania ścieków, zaawansowanych technikach mikrobiologicznych oraz modelowania/symulacji matematycznej. Planowany projekt obejmuje cztery główne zadania (złożone z podzadań) przypisane indywidualnie konkretnym partnerom. W ramach projektu zakłada się, że różne układy laboratoryjne (sekwencyjny reaktor biologiczny i reaktor ze złożem ruchomym) będą obsługiwane równolegle przez zespół badawczy PG (Zadanie 1) i zespół badawczy PW (Zadanie 2). Systemy te będą wykorzystywać różne typy biomasy (biomasa zawieszona i biofilm, osad granulowany) oraz różne procesy usuwania azotu oparte na skróconej ścieżce przemiany azotu (częściowa nitryfikacja, deamonifikacja). W celu wiarygodnego porównania, oba systemy będą zasilane takimi samymi odciekami syntetycznymi, imitującymi skład ścieków komunalnych i odcieków z beztlenowych komór fermentacyjnych. Ponadto oba układy laboratoryjne będą pracować z zastosowaniem podobnych parametrów technologicznych, takich jak temperatura, dostępność substratu, stężenie tlenu rozpuszczonego i strategia napowietrzania (ciągłe i przerywane). Wydajność obu systemów będzie porównywana pod względem efektywności usuwania azotu, inhibicji i wypłukiwania bakterii utleniających azotyny (NOB) oraz składu mikrobiologicznego (ze szczególnym uwzględnieniem „comammox” Nitrospira). W odniesieniu do tego ostatniego porównania, zastosowane zostaną dwie zaawansowane techniki mikrobiologiczne, takie jak metagenomika i metatranskryptomika (Zadanie 3). Zastosowanie metagenomiki pozwoli scharakteryzować społeczności mikroorganizmów rozwijające się w badanych reaktorach, z kolei zastosowanie metatranskryptomiki pozwoli określić aktywność genów funkcjonalnych związanych z metabolizmem azotu (amoA, nxr, hao, nirK i hzsA). W celu zrozumienia związków między grupami bakterii obecnych w badanych reaktorach, a także optymalizacji parametrów technologicznych umożliwiających wzrost efektywności usuwania azotu, przeprowadzone zostanie modelowanie matematyczne/symulacja (Zadanie 4).

3. Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki

Wyniki niniejszego projektu pomogą odpowiedzieć na następujące pytania badawcze:

– Jaka jest powszechność występowania procesu comammox w różnych systemach oczyszczania ścieków?

– Czy bakterie comammox mogą konkurować z klasycznymi bakteriami NOB i jakie są główne parametry technologiczne wpływające na przeżywalność bakterii comammox w badanych układach (stężenie azotu amonowego, stężenie tlenu rozpuszczonego, temperatura itp.)?

– Czy biofilm rzeczywiście jest lepszym środowiskiem dla wzrostu bakterii comammox w systemach oczyszczania ścieków?

– Jakie są genetyczne i funkcjonalne możliwości adaptacyjne bakterii comammox w systemach oczyszczania ścieków? (zastosowanie zintegrowanych zaawansowanych technik mikrobiologicznych).

Korzyści z nowatorskich procesów usuwania azotu (deamonifikacja i „nitrite shunt”) wynikają z inhibicji procesu utleniania azotynów, który dotychczas przypisywano wzrostowi klasycznych bakterii NOB. Zwłaszcza deamonifikacja w głównym ciągu oczyszczania ścieków jest obiecującą nową koncepcją, która może zrewolucjonizować sposób usuwania azotu w oczyszczalniach ścieków. Proces commamox może negatywnie wpłynąć na wspomniane wcześniej, nowe procesy ze względu na rywalizację o ten sam substrat (amoniak). Wskutek tego, bakterie comammox mogą znacząco zakłócić produkcję azotynów w procesie częściowej nitryfikacji (nitrytacji), która jest etapem decydującym o skuteczności obu nowych procesów.