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Settleable algal-bacterial culture for municipal wastewater treatment

Absetzbare Algen-Bakterien-Kulturen für Kommunale Abwasserreinigungen

  • Algae-bacteria-based biotechnology has received more and more attention in recent years, especially in the subtropical and tropical regions, as an alternative method of conventional multistep wastewater treatment processes. Moreover, the algal biomass generated during wastewater treatment is regarded as a sustainable bioresource which could be used for producing biofuel, agricultural fertilizers or animal feeds. Although this technology is attractive, a number of obstacles need to be solved before large-scale applications. The main purposes of this work are to find more effective biomass harvesting strategies and develop high-effective algal-bacterial systems to improve wastewater treatment performance, biomass generation rate and biomass settleability. A wastewater-borne algal-bacterial culture, cultivated and trained through alternate mixing and non-mixing strategy, was used to treat pretreated municipal wastewater. After one month cultivation and training, the acclimatized algal-bacterial system showed high carbon and nutrient removal capacity and good settleability within 20 minutes of sedimentation. Algal biomass uptake was the main removal mechanism of nitrogen and phosphorus. The biomass productivity, nitrogen and phosphorus accumulation in biomass during the wastewater treatment process were investigated. The characterization of the microbial consortium composition in the enriched algal-bacterial system provided new insights in this research field. Aerobic activated sludge which already showed good settleability was used as bacterial inoculum to enhance the wastewater treatment performance and biomass settleability of algal-bacterial culture. The influence of different algae and sludge inoculum ratios on the treatment efficiency and biomass settleability was investigated. There was no significant effect of the inoculation ratios on the chemical oxygen demand (COD) removal. But algae/sludge inoculum ratio of 5 showed the best nitrogen and phosphorus removal efficiencies (91.0 ± 7.0% and 93.5 ± 2.5%, respectively) within 10 days. Furthermore, 16S rDNA gene analysis showed that the bacterial communities were varying with different algae and sludge inoculation ratios and some specific bacteria species were enriched during the operation. Four commonly used and high-potential microalgae species including one cyanobacteria (Phormidium sp.) and three green microalgae species (Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris and Scenedesmus rubescens) were cultivated and trained through alternate mixing and non-mixing strategy for tertiary municipal wastewater treatment. After one month of cultivation, the four microalgae species were compared in terms of biomass settleability, nutrient removal rates and biomass productivity. The three green microalgae showed good settleability within 1 h sedimentation and had higher biomass generation rates (above 6 g/m2/d). The nutrient removal efficiencies were 99% for the four selected microalgae species but within different retention time, resulting in 3.66 ± 0.17, 6.39 ± 0.20, 4.39 ± 0.06 and 4.31 ± 0.18 mg N/l/d (N removal rate) and 0.56 ± 0.07, 0.89 ± 0.05, 0.76 ± 0.09 and 0.60 ± 0.05 mg P/l/d (P removal rate) for Phormidium sp., Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris and Scenedesmus rubescens, respectively. A mixed algal culture composed of three selected high-effective green microalgae (Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris and Scenedesmus rubescens) was used for tertiary municipal wastewater treatment. The key biotic factor (algal inoculum concentration) and abiotic factors such as illumination cycle, mixing velocity and nutrient strength were studied. Based on the nitrogen and phosphorus balance, it was found that assimilation into algal biomass was the main removal mechanism.
  • Die Algen-Bakterien-Biotechnologie hat in den letzen Jahren mehr Aufmerksamkeit bekommen, insbesondere in tropischen und subtropischen Regionen, als eine alternative Methode der herkömmlichen mehrstufigen Verfahren der Abwasserreinigung. Darüber hinaus wird die Algenbiomasse bei der Abwasserreinigung erzeugt und als nachhaltige Bioressource angesehen, beispielsweise um Biokraftstoff zu produzieren oder um als landwirtschaftliches Düngemittel oder als Tierfutter verwendet zu werden. Obwohl diese Technologie sehr attraktiv ist, müssen viele Hindernisse überwunden werden bevor die Anwendung dieser Technologie in großem Maßstab umgesetzt werden kann. Die Hauptziele dieser Forschung sind, eine bessere Biomasse-Anbau-Strategie zu finden und ein Algen-Bakterien System mit hoher Effektivität zu entwickeln, um die Abwasserreinigungsleistung, Biomasse Erzeugungsrate und die Biomasse-Absetzbarkeit zu verbessern. Es wurde eine Abwasserbasis-Algen-Bakterienkultur verwendet, welche kultiviert und bewährt war, durch eine abwechselndesaufmischen und abzusetzen wurde vorbehandeltes Kommunalabwasser behandelt. Nach einem Monat Anbau und Test, zeigte das Algen-Bakterien-System hohe Kohlenstoff-Nährstoff-Abtragsleistungen und eine gute Absetzbarkeit innerhalb von 20 Minuten. Die Algenbiomasse-Aufnahme wurde das wichtigste Stickstoff und Phosphorentfernungs Verfahren. Es wurde die Biomasseproduktivität, Stickstoff und Phosphors Akkumulation in der Biomasse, während des Abwasserreinigungsverfahren,untersucht. Die Charakterisierung der Mikrobiellen-Konsortien Zusammensetzung in dem angereicherten Algae-bakterial System bietet neue Erkenntnisse im Bereich der Forschung. Aerober Belebtschlamm, welcher schon gute Absetzbarkeit zeigte, wurde verwendet um Bakterieninokulum die Abwasserrreinigungleistung und die Biomassabsetzbarkeit von der Algae-bakterien Kultur zu verbessern. Es wurde der Einfluss auf die Inokulationsrate verschiedenet Algae-Schlämme und die Reinigungsleistung und Biomassabsetzbarkeit untersucht. Es gab keine signifikanten Effekte auf die Inokulationsrate druch die Sauerstoffbedarfabtrag (CSB). Aber eine Algae/Schlamm Inokulationsrate von 5 zeigte die beste Stickstoff-Phosphor Abtragleistung (91.0 ± 7.0% und 93.5 ± 2.5%, beziehungsweise) innerhalb von 10 Tagen. Außerdem zeigte die, 16S rDNA Gen-Analyse die Veränderung der Bakteriengemeinschaften unter dem Einfluss unterschiedlicher Algen-schlamm Inokulationsraten und einige bestimmte Bakterienarten wurden während des Betriebs angereichert. Vier gebräuchliche und Hochleistungsmikroalgen Arten, inklusive ein cyanobacteria (Phormidium sp.) und drei grünen Mikroalgen Arten (Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris and Scenedesmus rubescens) wurden kultiviert und bewährten sich durch eine abwechselnde Strategie von Aufmischen und Absetzen um Tertiär Kommunalabwasser zu reinigen. Nach einem Monat der Kultur, wurden die vier Mikroalgenarten m Hinblick von Biomasse Absetzbarkeit, Nährstoffabtragsleistung und Produktivität der Biomasse verglichen. Die drei grünen Mikroalgen zeigten eine gute Absetzbarkeit innerhalb 1 h Absetzzeit und sie hatten eine höhere Biomasseaufbaurate (oben 6 g/m2/d). Die Nährstoffentfernungsleistung von 99% für die vier ausgewählten Mikroalgenarten ergaben sich bei verschiedenen Retentionszeiten, dies resultierte in 3.66 ± 0.17, 6.39 ± 0.20, 4.39 ± 0.06 und 4.31 ± 0.18 mg N/l/d (N Entfernungsleistung) und 0.56 ± 0.07, 0.89 ± 0.05, 0.76 ± 0.09 und 0.60 ± 0.05 mg P/l/d (P Entfernung Leistung) für Phormidium sp., Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris and Scenedesmus rubescens, beziehungsweise. Eine gemischte Algenkultur besteht aus drei ausgewählten grünen Hochleistunsmikroalgen (Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris und Scenedesmus rubescens) die verwendet wurde für Tertiär Kommunale Abwasserreinigung. Die Biotischen Schlüsselfaktoren (Algeninokulums konzentration) und abiotischen Faktoren wie Licht-Zyklus, Rührgeschwindigkeit und Nährstoffbelastung wurde studiert. Basierend auf Stickstoff-Phosphorbilanz, wurde gefunden dass die Algenbiomasse der wichtigste Entfernungmechanismus war.

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Metadaten
Author:Yanyan Su
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus-142305
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/616
Advisor:Brigitte Urban (Prof. Dr.)
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2012
Date of Publication (online):2012/12/21
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Nachhaltigkeit
Date of final exam:2012/12/07
Release Date:2012/12/21
Tag:algal-bacterial culture; bacterial composition; nutrient removal; settleability; wastewater treatment
GND Keyword:Algenkultur; Bakterien; Abwasserreinigung; Nährstoffentzug; Absetzen
Institutes:Fak 3 - Umwelt und Technik (alt) / Nachhaltigkeitsmgmt./-ökologie
Dewey Decimal Classification:3 Sozialwissenschaften / 33 Wirtschaft / 333.7 Natürliche Ressourcen, Energie und Umwelt