Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.28
no.10
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pp.1055-1064
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2006
Extremely slow growing anammox(anaerobic ammonium oxidation) bacteria were cultivated using a combination of UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reactor seeded with anaerobic granular sludge and carbon-fiber cultivating reactor. After 180 days of continuous cultivation, average nitrogen removal rate showed 0.54 kg $N/m^3-day$ when 0.6 kg $N/m^3-day$ of nitrogen loading was applied. The black granule was changed to brown and red granule as continuous operation, and the red granule was highly dependant on the high anammox activity. Microbial community structure of red granule in the UASB reactor was analyzed by molecular methods such as gene cloning, phylogenetic tree analysis, and FISH(Fluorescence In Situ Hybridization) method. As a result of gene cloning and phylogenetic tree analysis, 5 kinds of phylum were found to be Planctomycetes, Proteobacteria, Acidobacteria, Chlorobi and Chloroflexi. 13 clones were matched to anammox bacteria among 51 clones in the red anammox granule. In-silico test which used cloning information and FISH probe of the AMX368 was conducted to detect the presence of anammox bacteria in the red anammox granule. As a result of in-silico test only one clone was exactly matched to AMX368 but 11 clones was mutated one base among 18 bases representing all 12 clones are anammox bacteria. A filamentous Chloroflexi might be related to the granulation of anammox bacteria. As a result of FISH analysis, anammox bacteria was abundant in the red anammox granule.
The combined SHARON (Single reactor system for High ammonium Removal Over Nitrite)-ANAMMOX (Anaerobic ammonium oxidation) reactor were operated in mesophilic condition ($35^{\circ}C$). In this study, microbial granulation and characteristics of SHARON and ANAMMOX sludges were investigated using settling test, Scanning Electron Microscopy (SEM) and Fluorescence In Situ Hybridization (FISH). In SHARON reactor, Aerobic granulation with diameter of 1.5~2.5 mm was accomplished but aerobic granulation was weaker than anaerobic granular sludge. Initial seed sludge of ANAMMOX reactor was used as attached media for biofilm growth. ANAMMOX sludge was more compact and rounder rather than seed sludge. Though ANAMMOX sludge has high activity, it has lower settling ability than the seed granule. The color of ANAMMOX sludge was changed from dark to redish brown granular with diameter of 1~2 mm. In FISH of ANAMMOX sludge, high fraction of Candidatus B. stuttgartiensis which paid great role of nitrogen conversion was detected. Also, FISH results reveals that ANAMMOX bacteria inhabit at inner parts near surface, having advantages in utilization of substrates and protection from oxygen inhibition.
BACKGROUND: Microbes that govern a unique biochemical process of oxidizing ammonia into dinitrogen gas, such as anaerobic ammonium oxidation (anammox) have been reported to play a pivotal role in agricultural soils and in oceanic environments. However, limited information for anammox bacterial abundance and distribution in the terrestrial habitats has been known. METHODS AND RESULTS: Phylogenetic and next-generation sequencing analyses of bacterial 16S rRNA gene were performed to examine potential anammox bacteria in paddy soils. Through clone libraries constructed by using the anammox bacteria-specific primers, some clones showed sequence similarities with Planctomycetes (87% to 99%) and anammox bacteria (94% to 95%). Microbial community analysis for the paddy soils by using Illumina Miseq sequencing of 16S rRNA gene at phylum level was dominated by unclassified Bacteria at 33.2 ± 7.6%, followed by Chloroflexi at 20.4 ± 2.0% and Acidobacteria at 17.0 ± 6.5%. Planctomycetes that anammox bacteria are belonged to was 1.5% (± 0.3) on average from the two paddy soils. CONCLUSION: We suggest evidence of anammox bacteria in the paddy soil. In addition to the relatively well-known microbial processes for nitrogen-cycle, anammox can be a potential contributor on the cycle in terrestrial environments such as paddy soils.
As the concentration of nitrogen in the sewage flowing into the sewage treatment plant increases due to urbanization and industrialization, the degree of adverse effects such as eutrophication and toxicity to the aquatic ecosystem is also increasing. In order to treat sewage containing high concentration of nitrogen, various studies on the biological nitrogen removal process are being conducted. Existing biological nitrogen removal processes require significant costs for supplying oxygen and supplementing external carbon sources. In this respect, as a high-level nitrogen removal process with economic improvement is required, an anaerobic ammonium oxidation process (ANAMMOX), which is more efficient and economical than the existing nitrification and denitrification processes, has been proposed. The purpose of this study is to confirm the stability of the ANAMMOX process in the water treatment process and to derive the ratio of ammonia nitrogen (NH4+) to nitrite nitrogen (NO2-) for the implementation of the mainstream ANAMMOX process. A laboratory-scale Mainstream ANAMMOX reactor was operated by applying the ratio calculated based on the substrate ratio suggested in the previous study. In the initial range, the removal efficiency of NH4+ was 58~86%, and the average removal efficiency was 70%. In the advanced range, the removal efficiency of NH4+ was 94~99%, and the average removal efficiency was 95%. As a result of the study, as the NH4+/NO2- ratio increased, the stability of the mainstream ANAMMOX process was secured, and it was confirmed that the NH4+ removal efficiency and the total nitrogen (TN) removal efficiency increased. As a result, the results of this study are expected to be used as basic data in the application of the ANAMMOX process in the mainstream.
Large efforts have recently been made on research and development of sustainable and energy-efficient short-cut nitrogen removal processes owing to strong attention to the energy neutral/positive wastewater treatment system. Anaerobic ammonium oxidizing bacteria (anammox bacteria) have been highlighted since 1990's due to their unique advantages including 60% less energy consumption, nearly 100% reduction for carbon source requirement, and 80% less sludge production. Side-stream short-cut nitrogen removal using anammox bacteria and partial nitritation anammox (PN/A) has been well established, whereas substantial challenges remain to be addressed mainly due to undesired main-stream conditions for anammox bacteria. These include low temperature, low concentrations of ammonia, nitrite, free ammonia, free nitrous acid or a combination of those. In addition, an anammox side-stream nitrogen management is insufficient to reduce overall energy consumption for energy-neutral or energy positive water resource recovery facility (WRRF) and at the same time to comply with nitrogen discharge regulation. This implies the development of the successful main-stream anammox based technology will accelerate a conversion of current wastewater treatment plants to sustainable water and energy recovery facility. This study discusses the status of the research, key mechanisms & interactions of the protagonists in the main-stream PN/A, and control parameters and major challenges in process development.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.28
no.3
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pp.300-307
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2006
Anaerobic ammonium oxidation(ANAMMOX) is a novel process fur treatment of piggery waste with strong nitrogen. In this study, we investigated acid fermentation of organic matter, denitrificatiot reduction of sulfur compounds and P crystalization by hydroxyapatite during the treatment of wastewater with high strength of ammonium and organic matters by ANAMMOX process. Also, functions of hydroxylamine and hydrazine as intermedeates of ANAMMOX process were tested. This study reveals that various complex-reactions with anaerobic ammonium oxidation of piggery waste are happened and hydroxylamine and hydrazine play an important role in ANAMMOX reaction.
Immobilization of anaerobic ammonium oxidizing bacteria has been studied to enhance the biomass retention of the slowly growing bacteria and the process stability. The purpose of this study was to compare the nitrogen removal efficiency of granular and immobilized anammox bacteria with poly vinyl alcohol and alginate. The specific anammox activity of the granular, homoginized and immobilized anammox bacteria were $0.016{\pm}0.0002gN/gVSS/d$, $0.011{\pm}0.001gN/gVSS/d$ and $0.007{\pm}0.0005gN/gVSS/d$, respectively. Although the activity decreased to 43.7 % of the original one due to low pH and $O_2$ exposure during the homogination and the immobilization, it was rapidly recovered within 7 days in the following continuous culture. When synthetic T-N concentrations of 100, 200, 400, 800 mg/L were fed, the immobilized anammox bacteria showed higher nitrogen removal efficiencies at all operational conditions than those of granular anammox bacteria. When the sludge retention time was shorten below 30.7 days and the reject water was fed, the nitrite removal efficiency of the granular anammox bacteria dropped to 8 % of the initial value, while that of the immobilized anammox bacteria was maintained over 95 % of the initial one. The immobilization with poly vinyl alcohol and alginate would be a feasible method to improve the performance and stability of the anammox process.
The anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) from substrates with various $NO_2-N$ and $NH_4-N$ concentationes, which were generated from piggery waste was accomplished by using anaerobic granular sludge as seeding sludge. As the result of operation, when $NO_2-N/NH_4-N$ ratios of ANAMMOX influent were 0.6~1.5, $NO_2-N/NH_4-N$ removal ratios were exhibited 1.19~2.07 (average 1.63). The higher influent $NO_2-N/NH_4-N$ ratios resulted in higher $NO_2-N/NH_4-N$ removal ratios by ANAMMOX. It means that $NO_2-N$ concentration is very important factor in ANAMMOX. Specific ammonium removal rate was constantly as $0.03{\sim}0.04gNH_4-N/g$ VSS-day at $35^{\circ}C$ while it was $0.01gNH_4-N/g$ VSS-day at $20{\sim}30^{\circ}C$. Thus, in order to reduce the effluent N concentration, either an increase of ANAMMOX reactor HRT or more biomass accumulation at the optimal temperature can be considered.
Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) bacteria is recently discovered microorganism which can oxidize ammonium to nitrogen gas in the presence of nitrite under anaerobic conditions. The anammox process can save an energy for nitrification and need not require a carbon source for denitrification, however, the start-up periods takes a long time more than several months due to the long doubling time (approximately 11 days). In order to find the effects of seeding microorganisms, hydrazine, and nitrite concentration on the enhancement of the anammox activity, five kinds of microorganisms were selected. Among the several kinds of seeding microorganisms, the granule from acclimated microorganisms treating high concentration of ammonia nitrogen (A-1) and sludge from piggery wastewater treatment plant (A-2) were found to have a high anammox activity. In the case of A-1, the maximum nitrogen conversion rate represented 0.4 mg N/L-hr, and the amount of nitrite utilization was high compared to those of other seeding microorganisms. The A-4 represented a higher nitrogen conversion rate to 0.7 mg N/L-hr although the ammonium concentration in the serum bottle was high as 200 mg/L. Meanwhile, the anaerobic granule from UASB reactor treating distillery wastewater showed a low anammox activity due to the denitrification by the remained carbon sources in the granule. Hydrazine, intermediate product in anammox reaction, enhanced the anammox activity by representing 1.4 times of nitrogen gas was produced in the test bottle than that of control, when 0.4 mM of $N_2H_4$ was added to serum bottle which contains 5 mM of nitrite. The high concentration of nitrite (10 mM) resulted in the decrease of the anammox activity by showing lower production of nitrogen gas compared to that of 5 mM addition of nitrite concentration. As a result of FISH (Florescence In-Situ Hybridization) experiment, the Amx820 probe showed a more than 13% of anammox bacteria in a granule (A-1).
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.31
no.10
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pp.919-926
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2009
Enrichment of anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) bacteria is the essential step for operating full-scale ANAMMOX bioreactor because adding a significant amount of seeding sludge is required to stabilize the ANAMMOX reactor. In this study, the enrichment of ANAMMOX bacteria from an activated sludge using sequencing batch reactor was conducted and verified by analyzing changes in the microbial community structure. ANAMMOX bacteria were successfully enriched for 70 days and the substrate removal efficiencies showed 98.5% and 90.7% for $NH_4\;^+$ and $NO_2\;^-$ in the activity test, respectively. The phylogenetic trees of Planctomycetes phylum showed that the diverse microbial community structure of an activated sludge was remarkably simplified after the enrichment. All 36 clones, obtained after the enrichment, were affiliated with ANAMMOX bacteria of Candidatus Brocadia (36%) and Candidatus Anammoxoglobus (64%) genera. The quantification using real-time quantitative PCR (RTQ-PCR) revea ed that the 16S rDNA concentration of ANAMMOX bacteria was 74.8% compared to the granular ANAMMOX sludge obtained from an upflow ANAMMOX sludge bed reactor which had been operated for more than one year. The results of molecular analysis supported that the enriched sludge could be used as a seeding sludge for a full-scale ANAMMOX bioreactor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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