Study of microbial population involved in nitrogen removal and nitrous oxide emission at wastewater treatment plants

Simple item page
dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorKruglova, Antonina
dc.contributor.advisorBlomberg, Kati
dc.contributor.authorKinnunen, Oona
dc.contributor.schoolInsinööritieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorMikola, Anna
dc.date.accessioned2022-01-30T18:01:48Z
dc.date.available2022-01-30T18:01:48Z
dc.date.issued2022-01-24
dc.description.abstractBiological nitrogen removal from wastewater is important for preventing eutrophication but it may lead to nitrous oxide (N2O) production as a side product of microbial metabolism. The fraction of nitrogen load that is converted to N2O varies between wastewater treatment plants (WWTP). It is typically below 2% but values have been reported from close to 0% to 15%. N2O is a potent greenhouse gas and direct N2O emissions have been calculated to cause over 60% of the carbon footprint of the Viikinmäki WWTP. The long-term dynamics of N2O emissions have not been fully explained by changes in operational and environmental conditions, and microbial population dynamics has been suggested as another causative factor. Despite the high nitrogen removal efficiency of the Viikinmäki WWTP very low abundances of conventional nitrifying bacteria have been observed in its activated sludge (AS) community and the active nitrifiers remain largely unknown. The aim of this Master’s thesis was to study the microbial community composition in the nitrogen-removing AS process especially in cold conditions and its links to N2O emissions. Another objective was to evaluate the suitability of different molecular analyses for studying the AS microbiome. A comprehensive literature review was conducted to assess the current knowledge of nitrogen-removing microbes and the established links between N2O emissions and microbial community dynamics at WWTPs. Abundances of bacteria involved in the nitrogen transformations in AS were quantified by quantitative real-time polymerase chain reaction (qPCR) in samples collected from Viikinmäki during a period of massive N2O emissions and nitrite accumulation. Both the literature review and results from Viikinmäki suggested that nitrite-oxidizing bacteria may be a key group linked to the variations in N2O emissions (produced by ammonia-oxidizing or denitrifying bacteria). The importance of applying different molecular methods for validating the observations was indicated by the inconsistencies between qPCR results obtained in this study with different target genes of the same bacterial group. The thesis also provides a plan for long-term monitoring of the microbial community dynamics at the Viikinmäki WWTP. Weekly sampling for at least a year is recommended to elucidate the relationships between the population and emission dynamics and their links to the process conditions. Incorporating microbial population monitoring into WWTP operation and control is expected to advance the understanding of process conditions inducing changes in the microbial population that lead to process impairments and high N2O emissions. It is further assumed to promote the determination of key process and microbial parameters that provide early indication of a developing process failure.en
dc.description.abstractBiologinen typenpoisto jätevesistä on tärkeää rehevöitymisen ehkäisemiseksi, mutta prosessissa voi muodostua typpioksiduulia (N2O) mikrobien aineenvaihdunnan sivutuotteena. N2O:ksi muuttuva typpikuorman osuus vaihtelee eri jätevedenpuhdistamoiden välillä. Tyypillisesti osuus on alle 2 %, mutta arvoja on raportoitu lähes 0 %:sta 15 %:iin. N2O on voimakas kasvihuonekaasu, ja suorien N2O-päästöjen on laskettu aiheuttavan yli 60 % Viikinmäen jätevedenpuhdistamon hiilijalanjäljestä. Pitkäaikaisia jätevedenpuhdistamoiden N2O-päästöjen vaihteluita ei ole pystytty täysin selittämään ajotavan ja ympäristöolosuhteiden muutoksilla, ja mikrobipopulaation dynamiikkaa on näiden lisäksi ehdotettu vaihteluita selittäväksi tekijäksi. Huolimatta Viikinmäen tehokkaasta typenpoistoprosessista tyypillisiä nitrifikaatiobakteereita on havaittu hyvin alhaisissa määrin Viikinmäen aktiivilietteen mikrobipopulaatiossa, ja prosessin aktiiviset nitrifioijat ovat vielä pitkälti tuntemattomia. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia typpeä poistavan aktiivilieteprosessin mikrobipopulaation koostumusta erityisesti kylmissä olosuhteissa sekä tämän yhteyksiä N2O-päästöihin. Toisena tavoitteena oli arvioida eri molekulaaristen analyysimenetelmien soveltuvuutta aktiivilietteen mikrobiston tutkimukseen. Kattavan kirjallisuuskatsauksen avulla määriteltiin tämänhetkinen tietämys typpeä poistavista mikrobeista sekä todetuista yhteyksistä jätevedenpuhdistamoiden N2O-päästöjen ja mikrobipopulaation dynamiikan välillä. Typen muunnosreaktioihin osallistuvien bakteereiden lukumääriä Viikinmäen aktiivilietteessä määritettiin kvantitatiivisella tosiaika-polymeraasiketjureaktiolla (qPCR) massiivisten N2O-päästöjen ja nitriitin kertymisen aikana kerätyistä näytteistä. Sekä kirjallisuuskatsaus että Viikinmäen tutkimustulokset viittasivat nitriittiä hapettaviin bakteereihin mahdollisena avainryhmänä, joka linkittyy (ammoniakkia hapettavien- tai denitrifikaatiobakteerien tuottamien) N2O-päästöjen vaihteluihin. Tässä diplomityössä saadut saman bakteeriryhmän eri geeneihin kohdistuvien qPCR-analyysien tulokset olivat keskenään epäjohdonmukaisia. Tämä osoitti useampien molekulaaristen menetelmien soveltamisen olevan tarpeellista havaittujen tulosten validoimiseksi. Diplomityö sisältää myös suunnitelman Viikinmäen jätevedenpuhdistamon mikrobiyhdyskunnan dynamiikan pitkäaikaista seurantaa varten. Suosituksena on kerätä näytteitä viikoittain vähintään vuoden ajan, jotta voidaan selventää populaation ja päästöjen vaihtelun välisiä suhteita sekä niiden yhteyksiä prosessiolosuhteisiin. Mikrobipopulaation seurannan sisällyttämisen osaksi jätevedenpuhdistamoiden operointia ja hallintaa odotetaan edistävän ymmärrystä prosessiolosuhteista, jotka aiheuttavat muutoksia mikrobipopulaatiossa johtaen prosessihäiriöihin ja korkeisiin N2O-päästöihin. Oletuksena on, että näin edistetään myös avainasemassa olevien prosessi- ja mikrobiparametrien tunnistamista, jotta muodostumassa oleva prosessihäiriötila voidaan havaita ajoissa.fi
dc.format.extent111 + 3
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/112630
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-202201301529
dc.language.isoenen
dc.programmeMaster's Programme in Water and Environmental Engineering (WAT)fi
dc.programme.majorfi
dc.programme.mcodefi
dc.subject.keywordbiological nitrogen removalen
dc.subject.keywordmicrobial communityen
dc.subject.keywordnitrous oxideen
dc.subject.keywordwastewater treatmenten
dc.titleStudy of microbial population involved in nitrogen removal and nitrous oxide emission at wastewater treatment plantsen
dc.titleJätevedenpuhdistamoiden typenpoistoon ja typpioksiduulipäästöihin liittyvän mikrobipopulaation tutkimusfi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöfi
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
local.aalto.electroniconlyyes
local.aalto.openaccessno
Files
Collections
[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG