Elucidation of ammonia inhibition in anaerobic treatment process by using 16S rRNA/DNA based microbial identification techniques

Abstract

Yüksek amonyak ihtiva eden bir katı atık depo sahası sızıntı suyu 1000 günden fazla bir süreyle yukarı akışlı çamur yatağı ve hibrit olarak dizayn edilen iki laboratuar ölçekli anaerobik reaktörde arıtılmıştır. Serbest amonyak konsantrasyonunu inhibisyon seviyesinin altında tutmak için girişte pH 4.5' e ayarlanmış ve her iki reaktörde de %90'nm üzerinde KOİ giderimi gerçekleştirilmiştir. Ancak, pH ayarlamasından vazgeçilince, bir çok defa ciddi serbest amonyak inhibisyonları görülmüştür. İnhibisyon olayını daha net açıklayabilmek için, yüksek amonyak konsantrasyonunun reaktör performansı üzerindeki etkileri, 16S rRNA/DNA bazlı FISH (flüoresan in-situ hibridizasyon), DGGE (denature gradyan jel elektroforezi), klonlama ve DNA dizi analizi teknikleri kullanılarak tespit edilen metanojen dağılımı ile ilişkilendirilmiştir. Ancak, sızıntı suyu kompozisyonundaki ani ve beklenmedik dalgalanmalar sonuçların yorumlanmasında karmaşıklığa sebep olmuştur. Bu problemi ortadan kaldırmak için, farklı çamurlar ile aşılanan laboratuar ölçekli beş anaerobik reaktör 450 gün boyunca sabit KOİ yükü ve kademeli olarak 1000 mg/l'den 6000 mg/l'ye kadar artırılan toplam amonyak konsantrasyonu altında işletilmiştir. Yükselen toplam amonyak miktarına paralel olarak serbest amonyak azotu (SAN) 50 mg/l'den 750 mg/l'ye kadar yükselmiştir. Aşamalı adaptasyon sonrası %77 ile % 90 arasında değişen yüksek sayılabilecek KOİ giderimleri elde edilmiştir. SAN 100 mg/P yi aşınca aşı çamurlarında baskın olarak bulanan Methanosaeta türleri Meîhanosarcina türleri ile yer değiştirmiştir. SAN miktarı daha da arttıkça, tür dağılımında başka belirgin bir değişim meydana gelmemiş, tekli yuvarlak yapıda bulunan Methanosarcina hücreleri çok hücreli dayanıklı yapılar oluşturmuştur. Fakat, SAN seviyesi 600 mg/Pyi aşınca ise, Methanosarcina kümelerinin dağıldığı gözlenmiştir. Bilakis R4, aşı çamurundan gelen inorganik partiküllerin Methanosarcina kümelerinin tutunması için uygun bir ortam sağlaması sayesinde, 750 mg/1 SAN seviyesine bile dayanabilmiştir.

A high ammonia landfill leachate was anaerobically treated for more than 1000 days in two laboratory scale anaerobic reactors configured as upflow sludge blanket and hybrid bed. By adjusting the influent pH to 4.5 to keep the free ammonia concentrations below inhibitory level, COD removal efficiencies above 90% were achieved in both of the reactors. However, when pH adjustment was terminated severe free ammonia inhibitions were observed several times. To clearly elucidate the inhibition phenomena, effects of high ammonia concentrations on reactor performances were correlated to the variations in methanogenic diversity by using 16S rRNA/DNA based microbial identification techniques such as FISH (fluorescent in-situ hybridization), DGGE (denaturing gradient gel electrophoresis), cloning and DNA sequencing. Nevertheless, sudden and unexpected fluctuations in the characteristics of leachate resulted in complications during interpretation of the results. To prevent the inconvenience of fluctuations, five laboratory scale anaerobic reactors seeded with different sludges were operated for 450 days under stable COD loads, gradually increasing total ammonia levels from 1000 to 6000 mg/1. Parallel to elevation in total ammonia, free ammonia nitrogen (FAN) was increased step by step from 50 to 750 mg/1. After gradual adaptation, moderately high COD removal efficiencies in the range of 77 to 90% were obtained in the reactors. Methanosaeta-related species mainly prevailing in seed sludges were replaced by Methanosarcina when FAN exceeded 100 mg/1. Subsequently, as FAN level elevated rather than any shifts in the methanogenic community, single coccus shaped Methanosarcina cells formed stringent multicellular packets. However, when the FAN exceeded 600 mg/1, disintegration of Methanosarcina clusters was observed. In contrast, inorganic particles originated from seed sludge provided a good support for Methanosarcina clusters in R4 and with this special feature it successfully resisted to FAN as high as 750 mg/1.