Verbesserte Denitrifikation durch innovatives Substrat auf Pflanzenkohlebasis unter Bedingungen mit niedrigem Kohlenstoff-/Stickstoffgehalt

Eine von Forschern des Harbin Institute of Technology geleitete Studie hat eine wesentliche Entwicklung in der Abwasserbehandlungstechnologie enthüllt. Veröffentlicht In MaschinenbauDie Forschung stellt einen innovativen Ansatz zur Verbesserung der Denitrifikation in bebauten Feuchtgebieten (CWs) vor, indem ein neuartiges Substrat auf Biokohlebasis verwendet wird, das als β-Cyclodextrin-funktionalisierte Biokohle (BC@β-CD) bekannt ist. Dieser Durchbruch adressiert eine entscheidende Herausforderung bei der Abwasserbehandlung: die Optimierung der Stickstoffentfernung unter Bedingungen, bei denen herkömmliche Methoden aufgrund niedriger Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnisse (C/N) ins Stocken geraten.

Bebaute Feuchtgebiete sind für ihr Potenzial zur Behandlung von Abwässern aus Kläranlagen (WWTPs) bekannt. Ihre Wirksamkeit wird jedoch häufig durch niedrige C/N-Verhältnisse im Zufluss beeinträchtigt, was zu einer suboptimalen Denitrifizierung und einer unzureichenden Stickstoffentfernung führt. Die von Xiao-Chi Feng und Nan-Qi Ren geleitete Studie liefert neue Erkenntnisse zur Überwindung dieser Einschränkungen durch fortschrittliche Materialwissenschaft und biochemische Technik.

Das Forschungsteam verglich drei verschiedene CW-Systeme: traditionell (Kontrolle), Pflanzenkohle (BC) und β-Cyclodextrin (BC@β-CD). Ziel der Studie war es, ihre Leistung bei der Behandlung von Abwasser mit niedrigen C/N-Verhältnissen zu bewerten, insbesondere mit einem Rückgang des Verhältnisses von 4 auf 2.

Die Ergebnisse zeigen, dass das BC@β-CD-System die anderen Konfigurationen übertraf und eine um 45,89 % bzw. 42,48 % höhere Stickstoffentfernungsrate im Vergleich zum herkömmlichen System aufwies. Darüber hinaus wurden die Emissionen von Lachgas (N2O), einem starken Treibhausgas, um 70,57 % bzw. 85,45 % reduziert.

Die Forscher verwendeten eine Reihe analytischer Techniken, darunter Metagenomik und enzymatische Tests, um zu verstehen, wie BC@β-CD die Denitrifikation steigert. Diese Analysen zeigten, dass BC@β-CD den Kohlenstoffstoffwechsel fördert und die Aktivität von Denitrifikationsenzymen erhöht, ohne die mikrobielle Diversität innerhalb der CWs zu verändern.

Insbesondere wurde festgestellt, dass BC@β-CD die für eine wirksame Denitrifikation entscheidende Elektronenerzeugung und den Elektronentransport steigert, indem es die Aktivitäten der Nicotinamidadenindinukleotid (NADH)-Dehydrogenase und des Elektronentransfersystems (ETS) erhöht.

Weitere Untersuchungen mithilfe von Strukturgleichungsmodellen bestätigten, dass der Hauptvorteil von BC@β-CD in seiner Fähigkeit liegt, mehr Kohlenstoffstoffwechselströme in Richtung Denitrifikation umzuleiten. Diese strategische Neuzuweisung unterstützt Denitrifikationsprozesse auch bei begrenzten Kohlenstoffquellen und verbessert so die Stickstoffentfernung unter Bedingungen mit niedrigem C/N-Verhältnis.

Die Ergebnisse der Studie unterstreichen das transformative Potenzial von BC@β-CD in der Abwasserbehandlung. Durch die Optimierung der Kohlenstoffstoffwechselverteilung verbessert dieses auf Pflanzenkohle basierende Substrat nicht nur die Effizienz der Stickstoffentfernung, sondern reduziert auch die Treibhausgasemissionen. Dieser Fortschritt bietet eine praktische Lösung für ein weit verbreitetes Problem bei der Abwasserbehandlung und bietet einen nachhaltigeren Ansatz für die Bewirtschaftung kohlenstoffarmer Zuflüsse.

Die Forscher betonen, dass die erfolgreiche Anwendung von BC@β-CD in CWs einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Umwelttechnik darstellt. Es bietet einen vielversprechenden Weg zur Entwicklung effektiverer und umweltfreundlicherer Abwasserbehandlungstechnologien.

Zukünftige Forschung wird sich auf die Skalierung dieser Technologie und die Erforschung ihrer Anwendung in verschiedenen Abwasserbehandlungsszenarien konzentrieren. Da die Welt nach nachhaltigeren Umweltlösungen sucht, bietet diese Studie einen hoffnungsvollen Weg für eine sauberere und effektivere Abwasserbewirtschaftung.

Der Artikel wurde von Hong-Tao Shi, Xiao-Chi Feng, Zi-Jie Xiao, Chen-Yi Jiang, Wen-Qian Wang, Qin-Yao Zeng, Bo-Wen Yang, Qi-Shi Si, Qing-Lian Wu verfasst. Nan-Qi Ren.