Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Mikrobiologische und hydrochemische Charakterisierung von hoch Stickstoffhaltigen Waschflüssigkeiten in großtechnischen Abluftreinigungsanlagen an Mastschweineställen

Haneke, Jörgen

The present publication discusses the microbiological and hydrochemical investigations undertaken both on the scrubbing fluids and on the biofilms and bioaerosols from trickling/scrubbing filters used in large-scale exhaust air treatment systems in pig fattening facilities. The scrubbing fluids contained a high concentration of nitrogen salts. Besides the high ammonium concentrations (> 10 g-NH4 N l-1; i.e. 56% of the total inorganic nitrogen), there was an increase in the nitrite concentrations (37% of the total inorganic nitrogen) in the scrubbing fluids during the operating time when there was no removal of sludge from the scrubbing fluid tanks. The biological nitrogen turnover was primarily mediated by ammonia-oxidising bacteria (AOB) with maximum growth rates of AOB between 0.7 and 0.9 d 1 (T = 30°C). The further oxidisation to nitrate, in contrast, occurred to a limited level, indicating that the activity of the nitrite-oxidising bacteria (NOB) in the scrubbing fluid was inhibited, most probably caused by the presence of free nitrous acid (FNA). In addition, the concentrations of total organic carbon and PO4-P were found to be more than 1 g l-1 and 30 mg l-1, respectively. Respirometric measurements of the nitrifying scrubbing fluid sludge showed a maximum specific oxygen uptake rate (SOUR) of between 15 and 20 mg g-oTS 1 h 1 for each 1 g-NH4 N l-1 substrate, depending on the nitrogen content of the scrubbing fluid. Investigations on a two-stage exhaust air treatment plant showed that the biofilm which had grown over several months on the wet filter wall appeared to be advantageous for ammonium oxidation. At a pH of 6.5-6.8 and with a regular elutriation at 20 mS cm-1, six- to eight-week periodic nitration processes became established, which reduced the sulphuric acid requirements of the exhaust air treatment system. N2O could be detected after the trickling filter, indicating the presence of incomplete nitrification processes. FISH (fluorescent in situ hybridisation) population analyses of the sludge did not reveal any noteworthy amounts of "classical" nitrifying bacteria such as the genera Nitrosomonas or Nitrobacter. Instead, other AOB/beta-Proteobacteria and NOB were predominant, seen primarily in the form of typical nitrifying bacteria aggregates. 16S rDNA analyses partially confirmed these investigations, as sequences of beta- (45%) and gamma-Proteobacteria (39%) were found. These could be predominantly classified as being from the families Comamonadaceae, Alcaligenaceae and Xanthomonadaceae. In addition, many GC-containing Actinobacteria were present. Differentiation could be made microscopically between different types of Actinomycetes, revealing the presence of PALO- and GTLO-similar types. Transmission electron microscopic investigations of biofilms from a wet filter wall revealed the presence of two different types of bacterial aggregates containing cells similar to AOB and NOB. The initial microbiological investigation on the generation of bioaerosols during the cleaning of wet filters from exhaust air treatment systems revealed a total microbial count of between 10^4 and 10^6 cfu m-3. Streptococci were captured from both the raw gas and during the cleaning process. Staphylococci were, in contrast, found in the raw gas but not in all the cleaning stages, though public health-relevant MRSA were present (10^2-10^4 cfu m-3). Enterococci were present in the raw gas, but not during the cleaning process. Mould fungi were also found, both in the raw gas and the cleaning stages. An additional standard method of treating waste water, namely the use of Anammox, was found to be suitable to only a limited extent for use in the scrubbing fluid from such exhaust air treatment systems. Especially the excessive ion concentrations (high electrical conductivity, respectively) in the scrubbing fluids and inhibitory effects of nitrite already at low concentrations (> 70 mg-NO2-N l-1) negatively affected the N turnover rates of the Anammox organisms. According to the current state of knowledge, the investigations undertaken in this study provide the first comprehensive microscopic and molecular biological characterisation of the habitats present in an exhaust air treatment system. The hydrochemical analyses of the scrubbing fluids revealed which chemical substances are present, which enabled preliminary technical solutions to improve the biological elimination of N in the scrubbing fluid to be tested in laboratory-scale reactors.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit mikrobiologischen und hydrochemischen Untersuchungen zu hoch Stickstoffsalzhaltigen Waschflüssigkeiten sowie Biofilmen und Bioaerosolen von Filterkörpern aus großtechnischen Abluftreinigungsanlagen an Schweinemastställen. Während des Anlagenbetriebs kam es ohne praktizierte Abschlämmung der Waschflüssigkeit, neben hohen Ammonium-Konzentrationen (über 10 g-NH4-N l-1 bzw. 56 % des Gesamt-Nanorg), insbesondere zur Anreicherung von Nitrit (37 % des Gesamt-Nanorg). Der Stickstoffumsatz erfolgte in erster Linie biologisch durch AOB, deren maximale Wachstumsraten zwischen 0,7 und 0,9 d-1 (T = 30 °C) lagen. Eine Weiteroxidation zu Nitrat war hingegen nur bedingt gegeben, sodass in Waschflüssigkeiten eine Hemmung der NOB vor allem durch FNA als wahrscheinlich galt. Weiterhin kam es zu TOC- und PO4-P-Konzentrationen von über 1 g l-1 bzw. 30 mg l-1. Atmungsaktivitätsmessungen mit nitrifizierendem Waschflüssigkeitsschlamm zeigten je nach N-Gehalt der Waschflüssigkeit bei Probeentnahme, maximale SOUR zwischen 15 und 20 mg g-oTS-1 h-1 bei etwa 1 g-NH4 N l 1. Ein über Monate gewachsener Biofilm auf der Nassfilterwand einer zweistufigen Abluftreinigungsanlage erwies sich als günstig für eine Ammoniumoxidation: Bei pH-Werten zwischen 6,5 und 6,8 sowie einer regelmäßigen Abschlämmung ab 20 mS cm-1 konnten sich alle sechs bis acht Wochen periodische Nitrifikationsprozesse etablieren, die dem Schwefelsäurebedarf entgegenwirkten. Dabei kam es auch zur Bildung von N2O in der Nassfilterstufe, was auf unvollständige Nitrifikationsprozesse hindeutete. FISH-Populationsanalysen von Waschflüssigkeitsschlämmen konnten keine bedeutende Mengen an "klassischen" Nitrifikanten wie die Gattungen Nitrosomonas oder Nitrobacter detektieren. Stattdessen dominierten andere AOB/beta-Proteobacteria und NOB, welche meist in Form von Aggregaten vorlagen. 16S rDNA-Analysen bestätigten diese Untersuchungen insofern teilweise, als dass Sequenzen von beta- (45 %) und gamma-Proteobacteria (39 %) nachgewiesen wurden. Diese waren hauptsächlich den Familien der Comamonadaceae, Alcaligenaceae und Xanthomonadaceae zuzuordnen. Zudem waren viele GC-haltige Actinobacteria vorhanden. Mikroskopisch konnte zwischen unterschiedlichen Aktinomyzeten wie PALO- und GTLO-ähnlichen Typen differenziert werden. TEM-Untersuchungen von Biofilmen der Nassfilterwand einer zweistufigen Abluftreinigungsanlage zeigten weiterhin zwei unterschiedliche Aggregattypen mit AOB- und NOB-ähnlichen Zellen. Erste mikrobiologische Untersuchungen von während Reinigungsprozessen an Nassfilterwänden generierten Bioaerosolen ergaben Gesamtkeimzahlen zwischen 10^4 bis 10^6 KBE m-3. Streptokokken wurden sowohl im Rohgas als auch während der Reinigung gemessen. Staphylokokken hingegen wurden zwar im Rohgas, aber nicht bei allen Reinigungsdurchgängen gefunden, wobei auch der gesundheitsrelevante MRSA enthalten war (10^2 bis 10^4 KBE m-3). Auch Schimmelpilze konnten hier nachgewiesen werden. Enterokokken waren zwar im Rohgas aber nicht während der Reinigung nachzuweisen. Eine weitergehende abwassertechnische Behandlung der Waschflüssigkeit durch den Einsatz von Anammox erwies sich nur als bedingt geeignet. Insbesondere hohe Ionenkonzentrationen (bzw. hohe elektrische Leitfähigkeiten) in der Waschflüssigkeit sowie der hemmende Einfluss von bereits geringen Konzentrationen an Nitrit (> 70 mg-NO2-N l-1) wirkten sich negativ auf die N-Umsatzraten der Anammox-Organismen aus. Nach dem derzeitigen Wissensstand stellen die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen erstmalig eine umfassende mikroskopische und molekularbiologische Charakterisierung des Habitats "Abluftreinigungsanlage" dar. Hydrochemische Analysen von Waschflüssigkeiten führten außerdem zu Erkenntnissen über die dort auftretenden Stickstoff-Frachten, die verfahrenstechnische Lösungsansätze für eine weitergehende biologische N-Elimination in Labormaßstab erlaubten.

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Haneke, Jörgen: Mikrobiologische und hydrochemische Charakterisierung von hoch Stickstoffhaltigen Waschflüssigkeiten in großtechnischen Abluftreinigungsanlagen an Mastschweineställen. Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

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