Hydrolysis of particulate organic matter originated from municipal wastewater treated under aerobic and anaerobic conditions

Die Hydrolyse von partikulären organischen Substanzen (POM) aus kommunalem Abwasser gilt als limitierender Faktor in biologischen Systemen. Die Mechanik und die limitierenden Faktoren des Hydrolyseprozesses sind nicht hinreichend bekannt. Ziel dieser Arbeit war es, die Produkte zu charakterisieren, die bei der Hydrolyse von POM aus kommunalem Abwasser unter aeroben und anaeroben Bedingungen entstehen. Die biologische Abbaubarkeit der Hydrolyseprodukte wurde, basierend auf dem nominalen Molekulargewicht (MW) und der UV-Absorption, unter Verwendung der Größenausschlusschromatographie, gekoppelt mit der kontinuierlichen Detektion von gelöstem organischen Kohlenstoff (DOC) und UV Absorption (254 nm) (SEC-OCD UV), bestimmt.
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Unter aeroben Bedingungen konnte die Bildung und der Abbau von hydrolysierter POM gleichzeitig beobachtet werden. Das Chromatogramm zeigte zudem eine Akkumulation von organischen Produkten mit hohem Molekulargewicht (HMW) (nominelles MW > 20.000 g/mol) innerhalb der ersten drei Tage. Dies deutet darauf hin, dass Bakterien diese Zeit zum Wachstum und zur Entwicklung der notwendigen Enzyme für den Abbau der organischen HMW-Produkte benötigen, die größtenteils nach 13 Tagen abgebaut waren. Der Abbau der organischen Trockensubstanz (VSS) betrug nach 13 Tagen etwa 70 %.
Unter anaeroben Bedingungen, hingegen, akkumulierten organische Produkte mit niedrigem Molekulargewicht (nominelles MW: 150 – 1550 g/mol) innerhalb von zwei Tagen bei pH 7 ± 0,2 und innerhalb von vier Tagen bei pH 6 ± 0,2. Es wurde festgestellt, dass pH-Änderungen (d. h. 6 und 7) nicht die Hydrolysegeschwindigkeit beeinflussten, sondern die Art der produzierten flüchtigen Fettsäuren (VFA) und deren Abbaugeschwindigkeit. Der VSS-Abbau betrug nach 24 Tagen etwa 60 %.
Die Wachstumsdynamik der Bakterien und die Bildung extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS) wurde unter aeroben und anaeroben Bedingungen mit Hilfe der konfokalen Laserscanning-Mikroskopie visualisiert.
Die Ergebnisse dieser Arbeit haben das grundlegende Verständnis der aeroben und anaeroben Hydrolyse von POM stark verbessert. Mittels der verwendeten Chromatographie-Methode konnten Hydrolyseprodukte erfolgreich charakterisiertund detaillierte Einblicke in den Hydrolyseprozess gewonnen werden.

The hydrolysis of particulate organic matter (POM) originated from municipal wastewater is considered a limiting factor in biological systems. The mechanics and limiting factors involved in the hydrolysis process are not well understood. Therefore, the goal of this work was to characterize the hydrolysis products formed during the hydrolysis of POM originated from municipal wastewater under aerobic and anaerobic conditions. The biodegradability of the hydrolysis products was determined based on the nominal molecular weight (MW) and UV response by using the size exclusion chromatography coupled with online carbon and UV (254 nm) detection (SEC-OCD-UV) method together with standard sum parameters. ... mehr
The experimental set-up used in the aerobic experiments allowed a parallel observation of the formation and utilization of the hydrolyzed POM. The chromatographic results showed accumulation of the high molecular weight (HMW) organic products (nominal MW > 20.000 g/mol) within the first three days indicating that bacteria needed this time to grow and develop the necessary enzymes to degrade the HMW organic products, which were mostly depleted after 13 d. The volatile suspended solids (VSS) removal after 13 d was around 70 %.
The chromatographic results of the anaerobic hydrolysis experiments showed accumulation of the low MW organic products (nominal MW: 150 - 1550 g/mol) within the first 2 and 4 d at pH 7 ± 0.2 and pH 6 ± 0.2, respectively. It was determined that changes of pH (i.e., 7 and 6) did not affect the hydrolysis rate but the kind of volatile fatty acids (VFA) produced and their further utilization rate. The VSS removal after 24 d was around 60 %.
The bacteria growth dynamics and the extracellular polymeric substances (EPS) formation were visualized under aerobic and anaerobic conditions by using confocal laser scanning microscopy images. The findings of this work significantly extended the fundamental understanding of the aerobic and anaerobic hydrolysis of POM. The SEC-OCD-UV effectively characterized the hydrolysis products providing detailed insight into the hydrolysis process.