Spatial composition and development of biofilms from the HIAS biological phosphorus removal plant

Abstract

Phosphorus is one of the most important components in fertilizer and is almost exclusively sourced from phosphate rock. Phosphate rock is mined at higher rate than new deposits are being formed and peak phosphorus is expected to be reached within the foreseeable future. It is therefore crucial to establish a renewable source of phosphorus. On the other hand, phosphorus equal to 20% of global demand is flushed into sewage every year and ends up in wastewater treatment plants, where it must be removed to prevent reaching rivers and lakes where large amounts of phosphorus can cause eutrophication. The most common method of phosphorus removal is chemical precipitation, which renders the resource unusable. HIAS WWTP in Hamar has developed a system called HIAS continuous biofilm process, which can potentially address both these issues. HIAS WWTP is a full-scale biological phosphorus removal plant that contain a group of microorganisms called phosphorus accumulating organisms (PAO) to effectively accumulate and collect biologically available phosphorus by moving the PAOs from anaerobic to aerobic phases. The system is totally dependent on the microbiota; however, knowledge about the composition and development of the biofilms in wastewater treatment plants is limited. A theorized model of the spatial composition of the biofilm have been created at HIAS WWTP. This study examines the composition of the biofilm during development, by investigating the composition of the different layers of the biofilm. The layers of the biofilm were extracted using mechanical stress and through quantification by quantitative PCR and metagenomic studies of the 16S rRNA gene through Illumina sequencing it was observed that contrary to the theorized model, the abundance of PAOs increased towards the inner layer of the biofilm. Furthermore, the phosphorus removal rate was surprisingly high (95%) early in the studied time period when average PAO proportion was 0.9%. Given that the theorized model needs to be revised, it is clear that knowledge about spatial composition is still very limited, and more studies are needed.

Fosfor er en av de viktigste komponentene i gjødsel, og er tilnærmet utelukkende utvunnet fra fosforitt. Fosforitt blir utvunnet raskere enn nye avsetninger dannes, og det er forventet at «peak phosphorous» vil nås i nærliggende fremtid. Det er derfor essensielt å etablere en fornybar fosforkilde. På en andre siden forsvinner fosfor tilsvarende 20% av det globale behovet ut med kloakken hvert år, og ender opp i vannrenseanlegg, hvor det må fjernes for å unngå utslipp i elver eller ferskvann, hvor store mengder fosfor kan forårsake eutrofiering. Den mest utbredte metoden for å fjerne fosfor er kjemisk utfelling, som innebærer at produktet ikke kan benyttes videre. HIAS WWTP i Hamar har utviklet et system kalt HIAS kontinuerlig biofilm-prosess, som potensielt kan adressere begge disse problemstillingene. HIAS WWTP er et storskala, biologisk fosforrensingsanlegg, som består av en gruppe mikroorganismer kalt fosfor-akkumulerende organismer (PAO), for å effektivt akkumulere og samle inn biologisk tilgjengelig fosfor ved å forflytte PAO-ene mellom anaerobiske og aerobiske faser. Systemet er avhengig av mikrobiotaen, men kunnskap om komposisjonen og utviklingen av biofilmene i vannrenseanlegg er svært begrenset. En arbeidsmodell over den spatiale komposisjonen av biofilmene har blitt utviklet ved HIAS WWTP.

Dette studiet undersøker komposisjonen av biofilm under utvikling, ved å undersøke komposisjonen av de ulike lagene i biofilmene. Lagene ble ekstrahert ved bruk av mekanisk stress, og gjennom kvantifisering via kvantitativ PCR, og metagenomiske studier av 16S rRNA gjennom Illumina-sekvensering, ble det observert at i motsetning til arbeidsmodellen økte andelen inn mot det indre laget av biofilmen. Videre ble det funnet av fosforfjerningsraten var overraskende høy (95%) tidlig i tidsperioden, da den gjennomsnittlige PAO-andelen var 0.9%. Basert på at arbeidsmodellen må revdideres, blir det tydelig at dagens kunnskap om den spatiale komposisjonen i biofilmer fremdeles er svært begrenset, og at det trengs flere studier for å utvikle kunnskapen på dette området.