This study evaluated the kinetics of acrylamide (AM) biodegradation by mixed culture bacteria and Enterobacter aerogenes (E. aerogenes) in sequencing batch reactor (SBR) systems with AQUASIM and linear regression. The zero-order, first-order, and Monod kinetic models were used to evaluate the kinetic parameters of both autotrophic and heterotrophic nitrifications and both AM and chemical oxygen demand (COD) removals at different AM concentrations of 100, 200, 300, and 400 mg AM/L. The results revealed that both autotrophic and heterotrophic nitrifications and both AM and COD removals followed the Monod kinetics. High AM loadings resulted in the transformation of Monod kinetics to the first-order reaction for AM and COD removals as the results of the compositions of mixed substrates and the inhibition of the free ammonia nitrogen (FAN). The kinetic parameters indicated that E. aerogenes degraded AM and COD at higher rates than mixed culture bacteria. The FAN from the AM biodegradation increased both heterotrophic and autotrophic nitrification rates at the AM concentrations of 100-300 mg AM/L. At higher AM concentrations, the FAN accumulated in the SBR system inhibited the autotrophic nitrification of mixed culture bacteria. The accumulation of intracellular polyphosphate caused the heterotrophic nitrification of E. aerogenes to follow the first-order approximation.
There have been many studies on biofilter process regarding satisfactory water quality and the operational conditions of Recirculating Aquaculture Systems (RAS). For effective nitrification processes, it is necessary to dynamically identify and apply nitrifying microorganisms. Physical, chemical and biological processes concerning biofilms can be applied and influential factors including substrate, dissolved oxygen concentrations, organic matter, temperature, pH, alkalinity, salinity and mixing velocity intensity need to be considered. Also, designing and managing the process based on the dynamic interpretation of these factors are prerequisites for engineering applications of the biofilter process. This paper draws on current literature on the kinetics of nitrification of biofilms in the biofilter process. Influential factors for nitrification are crucial during the biofilter process and are expected to be critical in informing the design and operation of recirculating aquaculture systems.
Spatial and temporal changes in nitrification activities and distribution of microbial population of ammonia oxidizing bacteria (AOB) and ammonia oxidizing archaea (AOA) in paddy soils were investigated. Soil samples were collected in March and October 2015 from rice paddy with and without the presence of confined animal feeding operations. Incubation experiments and quantitative polymerase chain reaction showed that AOA's contribution to nitrification kinetics was much higher in locations where organic nitrogen in animal waste is expected to significantly contribute to overall nitrogen budget, and temporal variations in nitrification kinetics were much smaller for AOA than AOB. These differences were interpreted to indicate that different microbial responses of two microbial populations to the types and concentrations of nitrogen substrates were the main determining factors of nitrification processes in the paddy soils. The copy numbers of ammonium monooxygenase gene showed that AOA colonized the paddy soils in higher numbers than AOB with stable distribution while AOB showed variation especially in March. Although small in numbers, AOB population turned out to exert more influence on nitrification potential than AOA, which was attributed to higher fluctuation in AOB cell numbers and nitrification reaction rate per cells.
Recently, interests to remove nitrogen in the nitritation process have increased because of its economical advantages, since it could be a short-cut process to save both oxygen for nitrification and carbon for denitrification compared to a typical nitrification. However, the kinetics related with the nitritation process has not yet been fully understood. Furthermore, many useful models which have been successfully used for wastewater treatment processes cannot be used to estimate effluent nitrite concentration for evaluating performance of the nitritation process, since the process rate equations and population of microorganisms for nitrogen removal in these models have been set up only for the condition of full nitrification. Therefore, the present study was conducted to estimate an effluent nitrite concentration in the nitritation process with a concept of enzymatic inhibition kinetics based on long-term laboratory experiments. Using a nonlinear least squares regression method, kinetic parameters were accurately determined. By setting up a process rate equation along with a mass balance equation of the nitrite-oxidizing step, an effluent nitrite concentration in the nitritation process was then successfully estimated.
Nitrogen pollution in urban and rural groundwater is a common problem and poses a major threat to drinking water supplies based on groundwater. In this work, the kinetics of nitrification-denitrification coupled reactions are modeled and new reaction modules for the RT3D code describing the fate and transport of nitrogen species, dissolved oxygen, dissolved organic carbon, and biomass are developed and tested. The proposed nitrogen transformations and transport model showed very good match with the results of other public codes.
The respirometric technique has been used to analyze the nitrification process in a sequencing batch reactor(SBR) treating municipal wastewater. Especially the profile of the respiration rate very well expressed the reaction characteristics of nitrification. As the nitrification process required a significant amount of oxygen for nitrogen oxidation, the respiration rate due to nitrification was high. The maximum nitrification respiration rate, which was about $50mg\;O_2/L{\cdot}h$ under the period of sufficient nitrification, was related directly to the nitrification reaction rate and showed the nitrifiers activity. The growth rate of nitrifiers is the most critical parameter in the design of the biological nutrient removal systems. On the basis of nitrification kinetics, the maximum specific growth rate of nitrifiers in the SBR was estimated as $0.91d^{-1}$ at $20^{\circ}C$, and the active biomass of nitrifiers was calculated as 23 mg VSS/L and it was about 2% of total biomass.
The effects of temperature on nitrification of enriched nitrifiers were investigated by using kinetics and thermodynamics method through the batch test. Aquaculture recirculating water, which was sampled at Chung Cheong Buk-Do Inland Fisheries Research Institute, was analized to observe the characteristics of nitrification. Temporal variation of ammonium, nitrite and nitrate concentration was measured at batch experiments. Activation energy was calculated using Arrhenius equation with the oxidation rates of specific ammonium or nitrite ion. These oxidation rates were measured at temperature range of $6-35^{\circ}C$ and ammonium concentration range of 0.2-1.8 mg/L. Two distinct activation energy of Nitrosomonas sp. at temperature $6-15^{\circ}C\;and\;15-35^{\circ}C$ was 93.1 and 25.0 KJ/mol, respectively. Nitrate accumulation was observed at temperature over $15^{\circ}C.$
Biological nitrogen removal, using a continuous flow packed-bed reactor (CPBR) in a consecutive nitrification and denitrification process, was evaluated. An apparent decline in the nitrification efficiency coincided with the steady increase in $NH_4{^+}$-N load. Sustained nitrification efficiency was found to be higher at longer empty bed contact times (EBCTs). The relationship between the rate of alkalinity consumption and $NH_4{^+}$-N utilization ratio followed zero-order reaction kinetics. The heterotrophic denitrification rate at a carbon-tonitrogen (C/N) ratio of >4 was found to be >74%. This rate was higher by a factor of 8.5 or 8.9 for $NO_3{^-}$-N/volatile solids (VS)/day or $NO_3{^-}-N/m^3$ ceramic media/day, respectively, relative to the rates measured at a C/N ratio of 1.1. Autotrophic denitrification efficiencies were 80-90%. It corresponds to an average denitrification rate of 0.96 kg $NO_3{^-}-N/m^3$ ceramic media/day and a relevant average denitrification rate of 0.28 g $NO_3{^-}$-N/g VS/day, were also obtained. Results presented here also constitute the usability of an innovative porous sulfur ceramic media. This enhanced the dissolution rate of elemental sulfur via a higher contact surface area.
Nitrogen pollution in urban and rural groundwater is a common problem and poses a major threat to drinking water supplies based on groundwater. In this work, the kinetics of nitrification-denitrification coupled reactions are modeled and new reaction modules for the RT3D code (Clement, 1997) describing the fate and transport nitrogen species, dissolved oxygen, dissolved organic carbon, and biomass are developed. The proposed nitrogen transformations and transport model showed very good match with results of a conceptual model. However, the model simulation results for the major reactive species should be tested for validation using experimental and field data.
Kinetic analysis was important to develope the biological nutrient removal process effectively. In this research, anoxic-anaerobic-aerobic system was operated to investigate kinetic behavior on the nutrient removal reaction. Nitrification and denitrification were important microbiological reactions of nitrogen. The kinetics of organic removal and nitrification reaction have been investigated based on a Monod-type expression involving two growth limiting substrates : TKN for nitrification and COD for organic removal reaction. The kinetic constans and yield coefficients were evaluated for both these reactions. Experiments were conducted to determine the biological kinetic coefficients and the removal efficiencies of COD and TKN at five different MLSS concentrations of 5000, 4200, 3300, 2600, and 1900 mg/L for synthetic wastewater. Mathematical equations were presented to permit complete evaluation of the this system. Kinetic behaviors for the organic removal and nitrification reaction were examined by the determined kinetic coefficient and the assumed operation condition and the predicted model formulae using kinetic approach. The conclusions derived from this experimental research were as follows : 1. Biological kinetic coefficients were Y=0.563, $k_d=0.054(day^{-1})$, $K_S=49.16(mg/L)$, $k=2.045(day^{-1})$ for the removal of COD and $Y_N=0.024$, $k_{dN}=0.0063(day^{-1})$, $K_{SN}=3.21(mg/L)$, $k_N=31.4(day^{-1})$ for the removal of TKN respectively. 2. The predicted kinetic model formulae could determine the predicted concentration of the activated sludge and nitrifier, investigate the distribution rate of input carbon and nitrogen in relation to the solid retention time (SRT).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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