Auswirkungen von Mn²⁺-Konzentrationsgradienten auf die MBBR-Leistung

Auswirkungen von Mn²⁺-Konzentrationsgradienten auf die MBBR-Leistung

Anwendung von Mangan in Stickstoff- und PhosphorabfällenWasseraufbereitung

Mangan (Mn), ein essentielles Spurenelement, spielt eine entscheidende Rolle in biogeochemischen Prozessen und ist nach Eisen das zweithäufigste Übergangsmetall in der Erdkruste (0,1 %). In Moving Bed Biofilmreaktors (MBBRs) hat sich der Mn-vermittelte Redoxzyklus bei der Entfernung von Mikroschadstoffen, einschließlich Antibiotika und Antidepressiva, als wirksam erwiesen. Die Kopplung der Mn-getriebenen mixotrophen Denitrifikation mit dem organischen Abbau hat bei der Stickstoffentfernung große Aufmerksamkeit erregt.

Der Redoxübergang zwischen Mn²⁺ und Mn⁴⁺ fördert die Anreicherung denitrifizierender Bakterien und funktioneller Gene und verbessert so die Schadstoffentfernung. Die Integration von MBBR mit Mn-Kreislauf erreicht 84,7 % Gesamtstickstoffentfernungseffizienz (TN), während mikrobielle Gemeinschaften erheblich verändert werden, um den gleichzeitigen Abbau von Stickstoff und organischer Substanz zu erleichtern. Studien zeigen, dass Manganoxide (MnOx) und Mn²⁺ an der Stickstoffumwandlung beteiligt sind, wobei MnOx oxidieren kann NH₄⁺-N zu NO₃⁻-N.

Mechanismen der Mn-vermittelten Stickstoffentfernung

1. Nitrifikation & Manganreduktion

• Die MnOx-Reduktion gekoppelt mit der Nitrifikation, vermittelt durch Mn-reduzierende Bakterien, ergibt NO₃⁻-N und NO₂⁻-Nals Endprodukte.
• Im Gegensatz zur herkömmlichen Nitrifikation anaerobe Ammoniumoxidation(Anammox) wandelt direkt NH₄⁺-N zu N₂unter anoxischen Bedingungen unter Verwendung von MnOx als Elektronenakzeptor.

2. Denitrifikation und Mn-Redox-Kopplung

• NO₃⁻-N und NO₂⁻-N aus der Nitrifikation können sich mit Reoxidation von reduziertem MnOx, wodurch die TN-Entfernung verbessert wird.
• Mn²⁺ und seine Oxidationsnebenproduktedienen als Elektronendonatoren für die Denitrifikation und entfernen gleichzeitig Mn²⁺ aus dem Abwasser.

3. Mikrobielle Mn²⁺-Oxidation

• Die mikrobielle Oxidation von Mn²⁺ zu biogenem MnOx (BioMnOx) wird angetrieben durch heterotrophe und autotrophe Mn-oxidierende Bakterien, wobei Heterotrophe (z. B. Cupriavidus sp. HY129) eine dominierende Rolle spielen.
• Enzyme wie Multikupferoxidasen (MCOs)Und tierische Hämperoxidasen (AHPs)katalysieren die Mn²⁺-Oxidation.
• BioMnOx weist im Vergleich zu natürlichem MnOx eine höhere Oxidationskapazität auf und baut Antibiotika (z. B. Tetracyclin, Ciprofloxacin, Sulfamethoxazol) wirksam ab.

Mn-getriebene Phosphorentfernung

Im Gegensatz zu Stickstoff kann Phosphor nicht in gasförmige Formen umgewandelt werden und wird hauptsächlich durch Immobilisierung entfernt.

• MnOx-Adsorption: MnOx wirkt als starkes Adsorptionsmittel für Phosphat (PO₄³⁻).
• Mn²⁺-Phosphatfällung: Bei der MnOx-Reduktion reagiert freigesetztes Mn²⁺ mit Phosphat und bildet unlösliche Mn₃(PO₄)₂.
• BioMnOx-Regeneration: In anaerob-aerobe MBBRs, aus der Mn²⁺-Oxidation regeneriertes BioMnOx weist eine verbesserte Adsorptionskapazität für Mikroschadstoffe auf.

Wichtige Erkenntnisse und Anwendungen

• Optimale Mn²⁺-Konzentration: Cupriavidus sp. HY129 erreicht 8 % NO₃⁻-N und 87,2 % Mn²⁺-Entfernung, aber übermäßiges Mn²⁺ kann dazu führen NO₂⁻-N-Akkumulation.
• Robuste Mn²⁺-Entfernung im MBBR: Im MBBR erzeugtes BioMnOx adsorbiert kontinuierlich Mn²⁺, unbeeinflusst von anfänglichen Mn²⁺-Schocks.
• Verbesserte Schadstoffentfernung: Die Zugabe von Mn²⁺ zu MBBR verbessert gleichzeitige Entfernung von NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, COD und TP, was es zu einer vielversprechenden Strategie für die Abwasserbehandlung macht.

Auswirkungen der Mn²⁺-Konzentration auf die gleichzeitige Stickstoff- und Manganentfernung in MBBR-Systemen

Das MBBR-System in Verbindung mit Mangan-Redox-Kreisprozessen ermöglicht eine effektive Nährstoffentfernung (Stickstoff und Phosphor) durch biologisch vermittelte Redoxreaktionen. Wie die Abbildungen unten zeigen, behielt das System über vier Betriebsphasen hinweg eine stabile Leistung bei der Behandlung von NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, NO₂⁻-N, TN, TP, COD und Mn²⁺.

Wichtigste Ergebnisse

1. NH₄⁺-N-Entfernungseffizienz

• Bei Mn²⁺-Konzentrationen von 0, 2, 5 und 10 mg/L betrugen die durchschnittlichen NH₄⁺-N-Entfernungseffizienzen 85 %, 75,92 %, 75,27 % und 80,21 %, jeweils.
• Optimale Leistungwurde beobachtet bei 10 mg/L Mn²⁺, mit einem 21 % Abtragsrate(7,36 % Anstieg gegenüber der Kontrolle).
• Die Ergebnisse bestätigen, dass Mn²⁺ die Nitrifikationseffizienz in MBBR-Biofilmen verbessert.

2. TN-Entfernungseffizienz

• TN-Entfernungsraten: 53 % (0 mg/l), 37,58 % (2 mg/l), 45,87 % (5 mg/l) und 47,42 % (10 mg/l).
• Spitzenwirkungsgrad (47,42 %)geschah am 10 mg/L Mn²⁺, was auf eine verbesserte Denitrifikation hindeutet.

3. Effizienz der CSB-Entfernung

• Ohne Mn²⁺: 77 % Entfernung(344,87 → 119,13 mg/l).
• Mit Mn²⁺: 96 % (2 mg/l), 70,51 % (5 mg/l) und 80,95 % (10 mg/l).
• Mn²⁺-Zusatz steigert den CSB-Abbau deutlich.

4. Mn²⁺-Entfernungseffizienz

• Nahezu vollständige Elimination: 97,76 % (2 mg/l), 99,42 % (5 mg/l), 99,68 % (10 mg/l).
• Die Bildung von BioMnOx ermöglicht kontinuierliche Mn²⁺-Adsorption, auch bei Stoßbelastungen.

5. TP-Entfernungseffizienz

• Niedrigster Abwasser-TP (5,62 mg/l)bei 10 mg/L Mn²⁺, was darauf hindeutet erhöhte PAO-Aktivität.

6. NO₃⁻-N & NO₂⁻-N Dynamik

• NO₃⁻-N-Akkumulationerhöht mit Mn²⁺ Dosierung (wahrscheinlich aufgrund von Nitrifikationsstimulation).
• NO₂⁻-N-Werteniedrig blieb (0,02–1,13 mg/L), was darauf hindeutet stabile partielle Denitrifikation.

Schlussfolgerungen

• Optimale Mn²⁺-Dosierung: 10 mg/L, Maximierung Entfernung von TN (47,42 %), NH₄⁺-N (80,21 %) und COD (80,95 %)bei gleichzeitiger Minimierung von TP.
• Mechanismen:
• Mn²⁺ → BioMnOx-Umwandlung verbessert StickstoffentfernungUnd Schwermetalladsorption.
• Mn-Redox-Zyklus fördert synergistischer NH₄⁺-N- und CSB-Abbau.
• Robustheit: MBBR hält Mn²⁺-Schwankungen ohne Leistungseinbußen stand.