Characterization of the microbiota composition associated with the hias continuous biofilm process

Abstract

Fosforrensing av avløpsvann er essensielt for å unngå eutrofiering som forstyrrer økosystem i overflatevann. Den vanligste behandlingsprosessen har vært kjemisk utfelling. Ulemper med denne prosessen, derimot, er at fosfor får en lav biotilgjengelighet. Siden fosfor begynner å bli globalt begrenset er nye behandlingsmetoder som gjenvinner fosforen høyst nødvendig. Visse fosfor-akkumulerende organismer (PAO) kan akkumulere fosfor aerobt og frigi anaerobt. Hias renseanlegg (Hias RA) i Hamar har utviklet en biologisk renseprosess, Hias kontinuerlige biofilmprosess (Hias prosessen), til å flytte PAO-biofilmer mellom aerobe og anaerobe soner for effektiv fosforrensing. Systemets effektivitet er avhengig av mikrobiotasammensettingen. Selv om Hias-prosessen er effektiv, er derimot kunnskapen om mikrobiota-komposisjonen og funksjonen begrenset. Derfor undersøker dette studiet mikrobiota-komposisjonen på etablerende biofilmer under oppstarten av et fullskala Hias prosessanlegg for å kunne korreleres med fosfor-renseeffektiviteten. I tillegg undersøkes stabiliteten av ferdig etablerte biofilmer. Ved hjelp av PCR og Illumina 16S/18S rRNA metagenom sekvensering ble det observert at fosforrensingen nådde utstrømmingsgrensen (95%) på et overraskende tidlig stadium av biofilm-etableringen. I tillegg ble det målt en uforventet høy fosfor-renseeffektivitet under perioder med lav PAO mengde (>1.5%). Disse observasjonene indikerer muligens at de intracellulære poly-P lagrene til individuelle PAOer gjerne har en enorm kapasitet. Det ble også observert at mikrobiota-komposisjonen på etablerte biofilmer var mer stabil enn fosforrensingen. En mulig forklaring på dette kan være variasjoner i avløpsvannets substratinnhold, som primært bestemmer mikrobiota-funksjonen i biologiske RA. Videre ble det funnet ulike PAO komposisjoner i det etablerte pilot- og i det etablerende fullskala Hias prosessanlegget, som antageligvis skyldes forskjeller mellom anleggene. Kunnskapen om funksjonen til biologiske fosforrensesystemer og PAOenes polyP lagringskapasiteten er derimot fremdeles begrenset, og det kreves derfor videre studier.

Phosphorus removal from wastewater is essential to avoid eutrophication, causing disturbances of ecosystems in surface water. Chemical precipitation has been the common treatment process. However, this process results in low phosphorus bioavailability. Since phosphorus is becoming globally limited, new treatment methods recovering phosphorus are urgently needed. Certain phosphorus accumulating organisms (PAO) can accumulate phosphorus aerobically and release anaerobically. Hias wastewater treatment plant (WWTP) in Hamar has developed a biological treatment process, Hias continuous biofilm process (Hias process), for moving PAO-biofilms between aerobic and anaerobic zones for efficient phosphorus removal. The system`s efficiency is dependent on the microbiota composition. However, although the Hias process is efficient, the knowledge about the microbiota composition and function is still limited. Therefore, this study investigates the microbiota composition on establishing biofilms in the start-up of a full-scale Hias process plant, in order to correlate the microbiota composition with the phosphorus removal efficiency. In addition, the stability of already established biofilms is investigated. Through quantitative PCR and Illumina 16S/18S rRNA metagenome sequencing it was observed that the phosphorus removal reached the efflux limit (95%) at a surprisingly early stage of biofilm establishment. In addition, it was detected an unexpectedly high phosphorus removal during periods of low PAO abundance (>1.5%). These observations may indicate that the intracellular poly-P storage of individual PAOs possibly have a huge capacity. It was also discovered that the microbiota composition on established biofilms was more stable than the phosphorus removal. A possible cause of phosphorus removal instability can be due to variations in the wastewater substrate content, which primarily determine the function of the microbiota in biological WWTP. Further it was observed different PAO compositions in the established pilot- and the establishing full-scale Hias process plants, which is possibly due to differences between the plants. However, the knowledge of the function of the biological wastewater phosphorus removal systems and the PAO`s poly-P storage capacity are still limited, thus further studies are required.