Efectos de los gradientes de concentración de Mn²⁺ en el rendimiento del MBBR

Efectos de los gradientes de concentración de Mn²⁺ en el rendimiento del MBBR

Aplicación de manganeso en residuos de nitrógeno y fósforoTratamiento de agua

El manganeso (Mn), un oligoelemento esencial, desempeña un papel vital en los procesos biogeoquímicos y es el segundo metal de transición más abundante en la corteza terrestre (0,1 %) después del hierro. En lecho móvil. Reactor de biopelículaEl ciclo redox mediado por Mn (MBBR) ha demostrado ser eficaz en la eliminación de microcontaminantes, como antibióticos y antidepresivos. La combinación de la desnitrificación mixotrófica impulsada por Mn con la degradación orgánica ha generado gran interés en la eliminación de nitrógeno.

La transición redox entre Mn²⁺ y Mn⁴⁺ promueve el enriquecimiento de bacterias desnitrificantes y genes funcionales, lo que mejora la eliminación de contaminantes. La integración de MBBR con el ciclo de Mn logra... 84,7 % de eficiencia de eliminación de nitrógeno total (NT), al tiempo que altera significativamente las comunidades microbianas para facilitar la degradación simultánea del nitrógeno y la materia orgánica. Los estudios demuestran que los óxidos de manganeso (MnOx) y el Mn²⁺ participan en la transformación del nitrógeno, donde el MnOx puede oxidarse. NH₄⁺-N a NO₃⁻-N.

Mecanismos de eliminación de nitrógeno mediada por Mn

1. Nitrificación y reducción de manganeso

• La reducción de MnOx acoplada con la nitrificación, mediada por bacterias reductoras de Mn, produce NO₃⁻-N y NO₂⁻-Ncomo productos finales.
• A diferencia de la nitrificación convencional, oxidación anaeróbica de amonio(anammox) convierte directamente NH₄⁺-N a N₂en condiciones anóxicas utilizando MnOx como aceptor de electrones.

2. Desnitrificación y acoplamiento redox de Mn

• El NO₃⁻-N y el NO₂⁻-N de la nitrificación pueden acoplarse con reoxidación de MnOx reducido, mejorando la eliminación de TN.
• Mn²⁺ y sus subproductos de oxidaciónActúan como donadores de electrones para la desnitrificación, eliminando simultáneamente Mn²⁺ de las aguas residuales.

3. Oxidación microbiana de Mn²⁺

• La oxidación microbiana de Mn²⁺ a MnOx biogénico (BioMnOx) es impulsada por bacterias heterótrofas y autótrofas oxidantes de Mn, donde los heterótrofos (por ejemplo, Cupriavidus sp. HY129) desempeñan un papel dominante.
• Enzimas como oxidasas multicobre (MCO)y peroxidasas de hemo animales (AHP)cataliza la oxidación de Mn²⁺.
• BioMnOx exhibe una capacidad oxidativa superior en comparación con el MnOx natural, degradando eficazmente los antibióticos (por ejemplo, tetraciclina, ciprofloxacina, sulfametoxazol).

Eliminación de fósforo impulsada por Mn

A diferencia del nitrógeno, el fósforo no se puede convertir en formas gaseosas y se elimina principalmente mediante inmovilización.

• Adsorción de MnOx:MnOx actúa como un fuerte adsorbente de fosfato (PO₄³⁻).
• Precipitación de Mn²⁺-fosfato:Durante la reducción de MnOx, el Mn²⁺ liberado reacciona con el fosfato para formar MnOx insoluble. Mn₃(PO₄)₂.
• Regeneración de BioMnOx: En MBBR anaeróbicos-aeróbicosEl BioMnOx regenerado a partir de la oxidación de Mn²⁺ exhibe una capacidad de adsorción mejorada para microcontaminantes.

Hallazgos clave y aplicaciones

• Concentración óptima de Mn²⁺: Cupriavidussp. HY129 logra Eliminación del 8% de NO₃⁻-N y del 87,2% de Mn²⁺, pero el exceso de Mn²⁺ puede causar Acumulación de NO₂⁻-N.
• Eliminación robusta de Mn²⁺ en MBBR:El BioMnOx generado en MBBR adsorbe continuamente Mn²⁺, sin verse afectado por los choques iniciales de Mn²⁺.
• Eliminación mejorada de contaminantes:Añadir Mn²⁺ a MBBR mejora eliminación simultánea de NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, DQO y TP, lo que lo convierte en una estrategia prometedora para el tratamiento de aguas residuales.

Efectos de la concentración de Mn²⁺ en la eliminación simultánea de nitrógeno y manganeso en sistemas MBBR

El sistema MBBR, acoplado al ciclo redox de manganeso, demuestra una eliminación eficaz de nutrientes (nitrógeno y fósforo) mediante reacciones redox mediadas biológicamente. Como se muestra en las figuras a continuación, el sistema mantuvo un rendimiento estable en el tratamiento de NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, NO₂⁻-N, TN, TP, DQO y Mn²⁺ a lo largo de cuatro fases operativas.

Hallazgos clave

1. Eficiencia de eliminación de NH₄⁺-N

• En concentraciones de Mn²⁺ de 0, 2, 5 y 10 mg/L, las eficiencias promedio de eliminación de NH₄⁺-N fueron 85%, 75,92%, 75,27% y 80,21%, respectivamente.
• Rendimiento óptimose observó en 10 mg/L de Mn²⁺, con un tasa de eliminación del 21%(7,36% de aumento frente al control).
• Los resultados confirman que Mn²⁺ mejora la eficiencia de la nitrificación en las biopelículas MBBR.

2. Eficiencia de eliminación de TN

• Tasas de eliminación de TN: 53% (0 mg/L), 37,58% (2 mg/L), 45,87% (5 mg/L) y 47,42% (10 mg/L).
• Eficiencia máxima (47,42%)ocurrió en 10 mg/L de Mn²⁺, lo que indica una desnitrificación mejorada.

3. Eficiencia de eliminación de DQO

• Sin Mn²⁺: 77% de eliminación(344,87 → 119,13 mg/L).
• Con Mn²⁺: 96% (2 mg/L), 70,51% (5 mg/L) y 80,95% (10 mg/L).
• Adición de Mn²⁺ aumenta significativamente la degradación de DQO.

4. Eficiencia de eliminación de Mn²⁺

• Eliminación casi completa: 97,76 % (2 mg/L), 99,42 % (5 mg/L), 99,68 % (10 mg/L).
• La formación de BioMnOx permite adsorción continua de Mn²⁺, incluso bajo cargas de impacto.

5. Eficiencia de eliminación de TP

• TP de efluente más bajo (5,62 mg/L)en 10 mg/L de Mn²⁺, sugiriendo actividad de PAO mejorada.

6. Dinámica de NO₃⁻-N y NO₂⁻-N

• Acumulación de NO₃⁻-Naumentó con la dosificación de Mn²⁺ (probablemente debido a estimulación de la nitrificación).
• Niveles de NO₂⁻-Nse mantuvo bajo (0,02–1,13 mg/L), lo que indica desnitrificación parcial estable.

Conclusiones

• Dosis óptima de Mn²⁺: 10 mg/L, maximizando Eliminación de TN (47,42%), NH₄⁺-N (80,21%) y DQO ​​(80,95%)mientras minimiza el TP.
• Mecanismos:
• Mn²⁺ → La conversión de BioMnOx mejora eliminación de nitrógenoy adsorción de metales pesados.
• El ciclo redox de Mn promueve degradación sinérgica de NH₄⁺-N y DQO.
• Robustez:MBBR soporta fluctuaciones de Mn²⁺ sin inhibir el rendimiento.