Mass Transfer Limitations: An Overlooked Factor in the Decline of Anammox Granular Activity for Treating Sulfate-Rich High-Salinity Wastewater

废水 厌氧氨氧化菌 盐度 硫酸盐 环境科学 污水处理 环境化学 化学 环境工程 制浆造纸工业 生态学 生物 氮气 工程类 反硝化 有机化学 反硝化细菌
作者
Wei Li,Jie Chen,Yong Gu,Fang Yuan,Qiang Yang,Yongdi Liu,Dongxu Xu,Bruce E. Rittmann
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c08087
摘要

Anammox is a sustainable biotechnology for nitrogen removal from wastewater. The granule-based anammox process provides excellent biomass retention and is widely applied for the treatment of high-strength wastewater, but its efficacy declines significantly when treating sulfate-rich high-salinity wastewater. This study evaluated the impacts of mass transfer limitations caused by sulfate-induced crystallization in the micropores of anammox granules. Long-term bioreactor operation revealed that salts containing chloride and sulfate inhibited total-nitrogen removal rates by 58% more than chloride salts alone. Through a combination of batch activity assays, nanocomputed tomography (nano-CT), Raman spectroscopy, and numerical simulations, we identified the in situ crystallization of Ca3(SO3)2.12(SO4)0.88 as a key stressor in sulfate-containing systems. This crystallization, facilitated by localized Ca2+ enrichment on EPS-polysaccharides and the microporous architecture of granules, preferentially occurred in narrow pores and high-curvature regions. The resulting pore blockage accounted for ∼40% of the observed decline in anammox activity, primarily through restricted substrate diffusion. By highlighting the roles of sulfate and calcium in restricting mass transfer in anammox granules, this work provides a mechanistic basis for optimizing the performance of anammox systems.
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