Ανάπτυξη και εφαρμοφή της μοριακής τεχνικής FISH με στόχο τον ποσοτικό προσδιορισμό και τη διερεύνηση της ενεργότητας νηματοειδών βακτηρίων σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων με απομάκρυνση θρεπτικών

Abstract

O στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση του φαινόμενου του αφρισμού λόγω της υπερανάπτυξης των νηματοειδών μικροοργανισμών M. parvicella και G. amarae σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) με απομάκρυνση θρεπτικών, με έμφαση στον προσδιορισμό της επίδρασης της γραμμής επεξεργασίας της ιλύος στο νηματοειδή αφρισμό με τη βοήθεια της Φθορίζουσας Επί Τόπου Υβριδοποίησης (Fluorescent In Situ Hybridization – FISH). Διερευνήθηκε η υπερανάπτυξη των νηματοειδών μικροοργανισμών M. parvicella και G. amarae στα διάφορα στάδια τριών εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων (Χαλκίδας, Βόλου και Ψυττάλειας). Οι ΕΕΛ επιλέχθηκαν βάσει της επίμονης εμφάνισης του φαινομένου του αφρισμού και με ιδιαίτερο στόχο την εξέταση της υπόθεσης της επανατροφοδότησης του συστήματος της ενεργού ιλύος με τους εν λόγω νηματοειδείς μέσω της επανακυκλοφορίας των στραγγιδίων από τη γραμμή επεξεργασίας της ιλύος. Από τα ισοζύγια των ροών μάζας των νηματοειδών μικροoργανισμών προέκυψε ότι οι υπό εξέταση νηματοειδείς επιβιώνουν στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης σε σημαντικό ποσοστό (ποσοστό καταστροφής από 36,2-77,6%). Επίσης, προέκυψε ότι οι ροές των στραγγιδίων από τις διεργασίες πάχυνσης και αφυδάτωσης επανατροφοδοτούν με βιώσιμους νηματοειδείς Μ. parvicella και G. amarae το σύστημα ενεργού ιλύος όλων των υπό εξέταση ΕΕΛ σε ποσοστό 0,4% - 27,1% της συνολικής μάζας των νηματοειδών στη δευτεροβάθμια διεργασία. Παράλληλα, προσδιορίστηκε το ποσοστό καταστροφής των εν λόγω βακτηρίων και διερευνήθηκαν οι επιπτώσεις των υψηλών συγκεντρώσεων των νηματοειδών G. amarae και M. parvicella σε εργαστηριακά συστήματα αναερόβιας χώνευσης καθώς και η συσχέτισή τους με την απόδοση των χωνευτών και με πιθανά λειτουργικά προβλήματα. Για το σκοπό αυτό αξιολογήθηκε η λειτουργία διαφορετικών συστημάτων αναερόβιας χώνευσης, μέσω της μελέτης της επίδρασης του χρόνου παραμονής, της θερμοκρασίας και της διαμερισματοποίησης. Πιο συγκεκριμένα εξετάστηκαν τέσσερα συστήματα, ένας μονοβάθμιος μεσόφιλος χωνευτής, ένας μονοβάθμιος θερμόφιλος χωνευτής και δύο διβάθμια συστήματα. Το ένα διβάθμιο σύστημα αποτελούταν από ένα πρώτο θερμόφιλο στάδιο με μικρότερο χρόνο παραμονής σε σειρά με δεύτερο μεσόφιλο στάδιο ενώ το δεύτερο διβάθμιο σύστημα αποτελούταν από δύο μεσόφιλους χωνευτές σε σειρά με ίσους χρόνους παραμονής. Όλα τα συστήματα λειτούργησαν σε 4 διαφορετικούς χρόνους παραμονής, στις 20, 16, 13 και 10 ημέρες. Σύμφωνα με τις μετρήσεις FISH των M. parvicella και G. amarae, οι θερμόφιλοι χωνευτές πέτυχαν στατιστικά υψηλότερα ποσοστά καταστροφής των νηματοειδών, αναλογικά με το χρόνο παραμονής τους. Πιο συγκεκριμένα, οι μέσοι όροι των ποσοστών καταστροφής στις αναερόβιες θερμόφιλες συνθήκες για τους νηματοειδείς M. parvicella και G. amarae ήταν αντίστοιχα 77,8% με 97,1% και 79,1% – 97,4%. Αντιστοίχως στις μεσόφιλες αναερόβιες συνθήκες τα ποσοστά καταστροφής ήταν για τα δύο βακτήρια αντιστοίχως 51,1% – 76,9% και 59,6% – 69,6%. Ωστόσο, παρόλο που οι θερμόφιλες συνθήκες πέτυχαν υψηλότερη καταστροφή των νηματοειδών, δε βελτίωσαν σημαντικά τα χαρακτηριστικά αφρισμού της ιλύος. Μπορεί να υποθέσει κανείς ότι το δυναμικό αφρισμού και η σταθερότητά του είναι συνδυαστικό αποτέλεσμα της συγκέντρωσης των νηματοειδών βακτηρίων και της συγκέντρωσης ενώσεων με επιφανειοδραστικές ιδιότητες που περιέχονται στη χωνεμένη ιλύ. Αυτή η υπόθεση υποστηρίζεται από την αυξημένη συγκέντρωση του κολλοειδούς COD που μετρήθηκε. Τέλος, προκειμένου να προσεγγιστεί η κινητική φθοράς των νηματοειδών M. parvicella και G.amarae πραγματοποιήθηκαν δύο πειραματικοί κύκλοι διαλείποντος έργου στους εργαστηριακούς χωνευτές σε μεσόφιλες και θερμόφιλες συνθήκες. Βρέθηκε πολύ καλή συσχέτιση μεταξύ των αποτελεσμάτων των πειραμάτων διαλείποντος έργου και αυτών της συνεχούς ροής. Η κινητική φθοράς των νηματοειδών αποδείχτηκε ότι ήταν πρώτης τάξης με συντελεστή 0,11 – 0,12 d-1 στις μεσόφιλες συνθήκες και 1,09 – 1,04 d-1 στις θερμόφιλες συνθήκες για τους G.amarae και M. parvicella αντίστοιχα, τιμές μεγαλύτερες από το συντελεστή φθοράς που αναφέρεται.

The scope of this study was the investigation of foaming due to the overgrowth of the filamentous microorganisms M. parvicella and G. amarae with the use of the Fluorescent In Situ Hybridization (FISH). The overgrowth of the bacteria was investigated at the various processes of the WasteWater Treatment Plants (WWTPs) of the cities of Chalkida, Volos and Psyttalia.The WWTPs were selected based on the severity and persistence of filamentous foaming events in their activated sludge systems. The scope was to test the hypothesis that filaments’ recirculation, by means of the underflows from the solids treatment line, seed the activated sludge system. The mass balances for the filaments showed that they could survive in the anaerobic digestion systems of the WWTPs (destruction rates ranged within 36,2 – 77,6%) and that the underflows from the thickening and dewatering processes seed the activated sludge system with viable Μ. parvicella and G. amarae at percentages equal to 0,4% - 27,1% of the total filament mass in the secondary treatment. In order to investigate the viability of G. amarae and M. Parvicella in anaerobic digestion, a laboratory scale study was conducted that involved the operation of four lab-scale anaerobic digestion systems, two single – stage and two dual – stage, operating in the mesophilic (35oC) and thermophilic (55oC) temperature ranges. All systems were operated at four different detention times of 20, 16, 13 and 10 days. According to FISH counts of M. Parvicella and G. amarae, it appears that thermophilic conditions resulted in a higher destruction of the filamentous bacteria that averaged from 77,8% to 97,1% and 79,1% – 97,4% respectively, compared to the mesophilic systems that exhibited destruction rates within the range of 51,1% - 76,9% and 59,6% – 69,6%. Destruction rate was proportional to the detention time for all digestion systems. It should be underlined, however, that although anaerobic conditions induced a higher destruction of the filamentous foaming bacteria, they did not improve the sludge foaming characteristics significantly. Apparently, the foaming potential and stability of anaerobic digesters is a combined effect of both the concentration of the filamentous bacteria and the concentration of foam stabilizing materials in the digested sludge. This hypothesis was supported by the results of the colloidal COD. Finally, in order to estimate the decay rate of M. parvicella and G.amarae in anaerobic digestion, two batch experiments were conducted in mesophilic and thermophilic conditions. The decay rate was found to follow first order kinetics with a coefficient of 0,11 – 0,12 d-1 under mesophilic and of 1,09 – 1,04 d-1 under thermophilic conditions for G.amarae and M. parvicella respectively, values higher than the decay rate reported in the literature evaluated at aerobic conditions. The results correlated well with the continuous flow destruction rates.