Search

Transforming traditional wastewater treatment plants into next generation wastewater treatment plants is crucial for achieving the European and global sustainable development goals. Resource recovery technologies, which provide biobased material and energy sources from waste streams, are becoming essential. This chapter focuses on the production and application of the most promising bioproducts, particularly short and medium-chain fatty acids, their up-stream and poststream applications. Furthermore, various strategies (bioaugmentation, enrichment and encapsulation methods) are discussed to overcome several limitations in resource recovery processes by manipulating microbial communities in biological wastewater treatment processes.

Understanding the impact of low pH on bacteria and yeasts is clearly of critical importance for a range of pure and applied microbiology disciplines, including clinical/veterinary, industrial/environmental, and food/drink microbiology. Research in this area has made great progress in recent years, with much improved understanding of the molecular events which enable micro-organisms to sense and respond to low pH, and synergies between fundamental and applied research in the disciplines above have begun to develop. Despite this, there is considerable unrealised potential for people working in these different disciplines to interact more fully, and to share concepts, methods, and data. With this in mind, we established a COST Action (CA18113) entitled “EuroMicropH: Understanding and exploiting the impacts of low pH on micro-organisms”, which was launched in Spring 2019 and will run until 2023. We have used this Action to develop databases of relevant literature and of Action participants and their diverse expertise. In addition, we have specific working groups looking at applications in all the above fields, working to develop more and better links between fundamental and applied research. Role of Funding is available from the Action to enable lab exchanges and conference visits for people working in this area. Details of the work of the Action to date, and of the available funding opportunities that we can offer, will be presented.

Understanding the impact of low pH on bacteria and yeasts is clearly of critical importance for a range of pure and applied microbiology disciplines, including clinical/veterinary, industrial/environmental, and food/drink microbiology. Research in this area has made great progress in recent years, with much improved understanding of the molecular events which enable micro-organisms to sense and respond to low pH, and synergies between fundamental and applied research in the disciplines above have begun to develop. Despite this, there is considerable unrealised potential for people working in these different disciplines to interact more fully, and to share concepts, methods, and data. With this in mind, we established a COST Action (CA18113) entitled “EuroMicropH: Understanding and exploiting the impacts of low pH on micro-organisms”, which was launched in Spring 2019 and will run until 2023. We have used this Action to develop databases of relevant literature and of Action participants and their diverse expertise. In addition, we have specific working groups looking at applications in all the above fields, working to develop more and better links between fundamental and applied research. Funding is available from the Action to enable lab exchanges and conference visits for people working in this area. Details of the work of the Action to date, and of the available funding opportunities that we can offer, will be presented.

Our modern cities are resource sinks designed on the current linear economic model which recovers very little of the original input. As the current model is not sustainable, a viable solution is to recover and reuse parts of the input. In this context, resource recovery using nature-based solutions (NBS) is gaining popularity worldwide. In this specific review, we focus on NBS as technologies that bring nature into cities and those that are derived from nature, using (micro)organisms as principal agents, provided they enable resource recovery. The findings presented in this work are based on an extensive literature review, as well as on original results of recent innovation projects across Europe. The case studies were collected by participants of the COST Action Circular City, which includes a portfolio of more than 92 projects. The present review article focuses on urban wastewater, industrial wastewater, municipal solid waste and gaseous effluents, the recoverable products (e.g., nutrients, nanoparticles, energy), as well as the implications of source-separation and circularity by design. The analysis also includes assessment of the maturity of different technologies (technology readiness level) and the barriers that need to be overcome to accelerate the transition to resilient, self-sustainable cities of the future.

Resource recovery from waste-streams is a highly promising approach to meet with urbanization and modernization consequences. Rapid human population growth, expanding industrialization and excessive consumption of resources lead to increasing demand for raw materials and energy sources, and an escalation of greenhouse gas emission. The recovery of valuable raw materials from waste-streams is a vital step towards environmentally friendly and sustainable bio-based production. One of the most promising resource recovery approaches from waste-streams is based on anaerobic digestion. In recent years, anaerobic digestion technology has started to go beyond energy recovery with the carboxylate platform. Volatile fatty acids (VFA) are intermediate products of anaerobic digestion and possess great potential for bio-based production from waste streams. Because of its wide range of applications, high market demand and low greenhouse gas emissions, bio-based VFA production has gained attention in recent years. Nevertheless, the current bio-based VFA production is economically non-competitive compared to petroleum-based production because of high substrate cost and production inefficiency. In this thesis, the bioaugmentation strategy was applied in the mixed culture fermentation to produce one-type dominant VFA from dairy industry wastewater. After the optimization of inoculum and dairy industry wastewater for maximal VFA production in the batch reactors, the bioaugmentation strategy was applied by selected pure cultures (Clostridium aceticum, Clostridium butyricum and Propionibacterium acidipropionici) in the anaerobic sequencing batch reactors. Bioaugmentation is a well-known method to enhance the microbial community for different purposes by adding external microbial cultures. The mixed culture was bioaugmented by C. aceticum for acetic acid dominant VFA production, C. butyricum for butyric acid dominant VFA production and P. acidipropionici for propionic acid dominant VFA production, respectively. Simultaneously, a non-bioaugmented control reactor is operated for comparison. The bioaugmented mixed culture by C. aceticum increased acetic acid production as ten-fold; C. butyricum improved butyric acid production more than ten times; P. acidipropionici IV increased propionic production more than four times. The quantity of the selected pure cultures strongly correlated with the acid composition confirming the efficiency of the bioaugmentation strategy. This thesis proves the powerful applicability of bioaugmentation strategies to increase the concentration of the desired VFA type in mixtures. Our approach has the potential to push resource recovery from waste-streams a significant step forward to achieve the United Nations Sustainable Development targets 12. Responsible Consumption and Production and 13. Climate Action by controlling global warming and reducing GHG emissions. Att återvinna resurser från avfallsflödet är ett lovande sätt att hantera konsekvenserna av en ökad urbanisering och modernisering. Snabb befolkningstillväxt, ökande industrialisering och en tilltagande konsumtion av resurser leder till ökad efterfrågan av råmaterial och energikällor samt ökade utsläpp av växthusgaser. Det blir allt mer angeläget att kunna omvandla avfallsflödet till användbart råmaterial för att möjliggöra en miljövänlig och förnybar biobaserad produktion. En av de mest lovande metoderna för att återvinna resurser från avfallsflödet baseras på anaerob nedbrytning. Inom anaerob nedbrytningsteknologi har det under senare år utvecklats en karbolyxatplattform, carboxylate platform, som möjliggör energiåtervinning. Flyktiga fettsyror (VFA) är mellanprodukter i den anaeroba nedbrytningen och har stor potential för biobaserad produktion från avfallsflödet. Tack vare dess många användningsområden, dess stora efterfrågan på marknaden och dess låga mängd utsläpp av växthusgaser har biobaserad VFA-produktion uppmärksammats de senaste åren. Trots detta är nuvarande biobaserad VFA-produktion inte ekonomiskt konkurrenskraftig gentemot oljebaserade produktioner på grund av dess höga kostnader och låga effektivitet. I den här studien tillämpar vi bioaugmenteringsstrategin i jäsning i blandkultur för att producera en-typ dominerande VFA från mejerisektorns avloppsvatten. Efter optimering av inokulum och mejeriindustrins avloppsvatten för maximal VFA-produktion tillämpas bioaugmenteringsstrategin med renkulturer (vi använder bakterierna Clostridium aceticum, Clostridium butyricum och Propionibacterium acidipropionici). Bioaugmentering är en välkänd metod för att förbättra den mikrobiella miljön för olika ändamål genom att tillsätta yttre mikrobiella kulturer. Blandkulturen är bioaugmenterad med C. aceticum för ättiksyra-dominerande VFA-produktion, C. butyricum för smörsyra-dominerande VFA-produktion respektive P. acidipropionici för propionsyra-dominerande VFA-produktion. Parallellt drivs en icke-bioaugmenterad kontrollreaktor för jämförelse. Den bioaugmenterade blandkulturen med C. aceticum ökar ättiksyrahalten tiofaldigt; C. butyricum förbättrar produktionen av VI smörsyra mer än tio gånger; P. acidipropionici ökar propionproduktionen mer än fyra gånger. Kvantiteten av de utvalda renkulturerna korrelerar starkt med syrasammansättningen vilket bekräftar bioaugmenteringsstrategins effektivitet. Denna studie påvisar den omfattande användbarheten hos bioaugmenteringsstrategier för att öka koncentrationen av den önskade VFA-typen i blandningen. Vår strategi har potential att ta ett betydande steg framåt för resursåtervinning av avfallsflöden. Denna avhandling bevisar den kraftfulla användbarheten av bioaugmenteringsstrategier för att öka koncentrationen av den önskade VFA-typen i blandningar. Vår strategi har potential att driva resursåtervinning från avfallsströmmar ett betydande steg framåt för att uppnå FN: s mål för hållbar utveckling vad gäller 12. Hållbar konsumtion och produktion och 13. Bekämpa klimatförändringarna. QC 2020-07-29

Bio-based volatile fatty acid (VFA) production from waste-stream is getting attention due to increasing market demand and wide range usage area as well as its cost-effective and environmentally friendly approach. The aim of this paper is to give a comprehensive review of bio-based VFA production and recovery methods and to give an opinion on future research outlook. Effects of operation conditions including pH, temperature, retention time, type of substrate and mixed microbial cultures on VFA production and composition were reviewed. The recovery methods in terms of gas stripping with absorption, adsorption, solvent extraction, electrodialysis, reverse osmosis, nanofiltration, and membrane contractor of VFA were evaluated. Furthermore, strategies to enhance bio-based VFA production and recovery from waste streams, specifically, in-line VFA recovery and bioaugmentation, which are currently not used in common practice, are seen as some of the approaches to enhance bio-based VFA production. QC 20180820

Fosfor rezervlerinin tükenmeye başlamasından ve fosforun yenilenemeyen ve yeri başka bir elementle doldurulamayan yapısından dolayı fosforun geri kazanımı giderek önem kazanan ve çözüm bekleyen önemli problemlerden biridir. Hücrenin yapı taşlarından birisi olan ve tarım arazilerinin sürdürülebilirliği için büyük önem arz eden fosfor, aynı zamanda yaşam döngüsünün devamlılığı için zorunludur.Fosforun, doğal kaynağı olan fosfor rezervlerinden çıkarılmasının yanısıra doğal olmayan fosfor döngüsü de fosfor için önemli bir kaynak olarak görülebilir. Doğadaki fosfor döngüsü, karada ve denizde olmak üzere iki ekosistemde gerçekleşmektedir. Ayrıca, bir çok endüstride geniş uygulama alanları olan ve deterjan, gübre, boya, gıda, içki, ilaç gibi ürünlerin yanısıra insan ve hayvan dışkısında bulunan fosfor, doğal olmayan fosfor döngüsünü oluşturmaktadır. Önemli miktarda fosforun bu değerli fosfor kaynağından geri kazanılması ile fazla fosforun ekosisteme deşarjı da önlenebilir. Böylece atıksu, önemli bir fosfor kaynağı olarak kullanılabilir. Bu çalışmanın amacı, büyük ölçekli olarak uygulanacak bir arıtma çamurunun farklı atıklarla karıştırılıp, anaerobik olarak çürütülmesine dayanan projenin laboratuvar ölçekli halinin incelenmesidir. Çalışma genel olarak, ileri biyolojik atıksu arıtma tesisinden alınacak arıtma çamurunun, katı atık düzenli depolama sahasının girişinden alınacak evsel organik atık ve aynı tesiste oluşan sızıntı suyunun, bir arada anaerobik olarak parçalanmasına dayanmaktadır. Anaerobik parçalanma sonucunda, atık, susuzlaştırma ünitesine gelerek, katı kısım kompost tesisine, sıvı kısımın ise %67' si anaerobik çürütücü girişine geri devredilecek, kalan %33' lük kısım ise sızıntı suyu arıtma tesisine gönderilecektir. Bu çalışmanın asıl amacı ise tüm atıkların beraber anaerobik olarak çürütülmesi sonucunda, çamur çürütücüsü üst suyundan fosfor geri kazanım veriminin incelenmesidir. Fosfor konsantrasyonunun yüksek olduğu atıksu arıtma tesislerinin arıtma çamurları, fosfor geri kazanımı için önemli bir kaynaktır. Bu alandaki çalışmalar, özellikle ileri biyolojik fosfor giderimi ile anerobik çürütücü içeren atıksu arıtma tesislerinden yüksek miktarda fosfor geri kazanılabileceğini göstermiştir.Fosfor geri kazanım metodlarının büyük bir kısmı, atıksuya veya arıtma çamuruna kimyasal ilave edilerek fosforun çöktürülmesi işlemi olan kristalleştirme metoduna dayanmaktadır. Kristalleştirme metodu; atıksuya veya arıtma çamuruna kimyasal ilave ederek, ortamdaki fosforun çökmesi prensibine dayanmaktadır. Çöktürme sonucunda, fosfor, ya strüvit denilen; azot, magnezyum, fosfor içeriğine sahip bir bileşik oluşturmakta ya da kalsiyum ile bileşik oluşturarak çökelmektedir. Ancak, kalsiyumun genellikle ortamda yeterli miktarda bulunmayışı ve dışarıdan ilave edilmesinin maliyeti arttırması nedeniyle strüvit çöktürmesi çok daha fazla kullanılan bir yöntem olmuştur. Ayrıca, strüvit yöntemi ile geri kazanılan fosfor, direk olarak tarım arazilerinde gübre olarak kullanılabilmektedir. Bu nedenle, bu çalışmada da strüvit çöktürmesi kullanılacaktır. Bu çalışmada, hem geri kazanılan fosfor miktarını hem de anaerobik çürütücünün biyogaz verimini arttırmak amacıyla, çeşitli atıklar (arıtma çamuru, organik atık ve sızıntı suyu) anaerobik olarak birlikte çürütülmüştür. Anaerobik çürütme, 250 ml' lik şeffaf şişelerde, 37℃' de elli gün boyunca, her gün şişelerin basınçları ölçülerek takip edilmiştir. Anaerobik çürümenin gerçekleştiği beş şişeden, ilk üç şişe, atıkların tamamını, belli oranlarda (%11 arıtma çamuru, %11 sızıntı suyu, %11 evsel organik atık ve %67 aşı çamuru) içermekte, kalan iki şişe ise aşı çamurunun takibi amacıyla yalnızca (%100 aşı çamuru) aşı çamurundan oluşmaktadır. Anaerobik çürüme verimi, hem ölçülen gaz miktarının, ideal gaz yasasına göre, biyogazın molar oranı hesaplanarak hem de birinci gün ve ellinci günde, karışımın toplam katı ve uçucu katı içeriği ölçülerek, takip edilmiştir. Atıkların anaerobik olarak çürütülmesi sonucunda, tüm atıkların belirli oranlarda bulunduğu, birinci, ikinci ve üçüncü şişelerde, ortalama olarak %44 uçucu katı maddenin çürümesi sağlanmıştır. Bunun yanı sıra, anaerobik çürütmenin ellinci gününde, kümülatif biyogaz miktarı 850 ml hacime ulaşmıştır. Anaerobik çürütmenin ardından, dışarıdan kimyasal eklenmeden yalnızca 0,1 M NaOH ilavesiyle pH ayarlanarak, fosfor strüvit çöktürmesiyle geri kazanılmıştır. Strüvit çöktürmesine etki eden en önemli noktalardan birisi pH' dır. Ve bu çalışmada, üç farklı pH aralığı (pH: 8,8; pH: 9,8 ve pH: 10,8) kullanılarak, çöken strüvit miktarı incelenmiştir. Çökelmenin en fazla olduğu, pH: 9,8' de, 100 ml anaerobik çamur çürütücüsü üst suyundan, 8,26 gram strüvit elde edilmiştir. Geri kazanılan fosforun verimini bulmak amacıyla fosfor (toplam fosfor ve ortofosfat) ve amonyum azotu, anaerobik çürütücünün üst suyunda ve çöktürülen strüvitin asidik çözeltide çözündürülmesi ile elde edilen solüsyonda, analiz edilmiştir. Fosfor geri kazanımının yanı sıra, çalışmanın diğer bir önemli noktası; Samsun Doğu İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi' nin anaerobik çamur çürütücüsünün girişinden alınan arıtma çamurlarının, aynı şekilde Samsun Avdan Enerji Düzenli Katı Atık Depolama Tesisi' nden alınan evsel organik atık ve sızıntı suyu ile beraber anaerobik olarak çürütülmesidir. Bu çürütme ile hem arıtımı zor olan atıkların bertarafı mümkün olmuş hem de bu arıtmadan biyogaz elde edilmiştir. Fosfor geri kazanım potansiyeli ve anerobik çürütücünün biyogaz üretim verimini incelemek amacıyla; anaerobik çürütücü kurulmadan önce tüm atıklarda, çürütücünün kurulduğu birinci gün karışımda, anaerobik çürümenin stabil hale geldiği ellinci günde karışımda, struvit çöktürmesinden elde edilen çökeltinin asidik solüsyonda çözülmesi ile elde edilen sıvıda ve çöktürmeden arta kalan filtratta; toplam katı madde, uçucu katı madde, toplam fosfor, orto – fosfat, toplam kjeldahl azotu ve amonyum azotu analizleri yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, atıkların oluşturduğu karışımda (birinci, ikinci ve üçüncü şişelerde), anaerobik çürütme ile girişteki toplam fosforun %50' si, orto – fosfatın %77' si giderilmiştir. Bununla beraber, çamur çürütücüsü üst suyunda yapılan strüvit çöktürmesi ile %75,7 toplam fosfor, %75 orto – fosfat strüvit olarak geri kazanılmıştır.Deneysel analizlerin dışında, atıkların karakterizasyon değerleri kullanılarak, anaerobik çürütücünün birinci ve ellinci gün değerleri teorik olarak da hesaplanmıştır. Karadeniz Bölgesinin en büyük atıksu arıtma tesisi olan, Samsun Doğu İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi, biyolojik olarak azot ve fosforu arıtan proseslere sahiptir. Ön arıtma ve biyolojik arıtma sonucunda, birincil çöktürme ve son çöktürme tanklarından elde edilen arıtma çamurları, anaerobik olarak çürütülmektedir. Arıtılan atıksu ise derin deniz deşarjı ile yeniden doğaya dönmektedir. Çalışmada, numunesi kullanılan diğer bir tesis ise; Samsun Avdan Enerji Düzenli Katı Atık Depolama Tesisi' dir ve hem Samsun İlinden hem de çevre illerden toplanan evsel katı atıkların düzenli depolama ile uzaklaştırıldığı bir tesistir.Fosfat kayaçlarının hızla tükenmesi ve fosforun atıksudan geri kazanımı üzerine bir çok çalışma yürütülmesine karşın varolan geri kazanım teknolojileri, fosfat rezervleriden elde edilen fosforun maliyetinden çok daha yüksektir. Dolayısıyla, fosfor geri kazanım çalışmalarının geliştirilmesinin zorunlu olmasının yanı sıra fosforun kullanımına kısıtlamalar getirilmeli, fosfor kullanım verimi yükseltilmeli ve ekonomide fosforun geri dönüşümü arttırılmalıdır. Aynı zamanda, fosfor geri kazanımında kullanılan kimyasal maddeler hem maliyeti yükseltmekte hem de fosfor geri kazanımını sınırlamaktadırlar. Bu nedenle, yeni teknolojilerin, kimyasal kullanımını en aza indirmesi gerekmektedir. Bu da; ihtiyaç duyulan kimyasal maddelerin atıklardan sağlanması ile mümkün olacaktır. Bu çalışmanın amaçlarından birisi de, yüksek azot içeriğine sahip sızıntı sularının, strüvit çöktürmesinde gerekli olan azot, magnezyum ve fosfat molar oranının 1:1:1 olmasını sağlamaktır. Sızıntı suyu kullanımı, gerekli olan azot miktarını karşılamakla kalmayıp, sızıntı sularının arıtımının da anaerobik olarak gerçekleşmesine olanak vermiştir. Aynı şekilde, çalışmada kullanılan evsel organik atıkların hem fosfor hem de organik madde içeriğinin zengin oluşu, anaerobik arıtmanın biyogaz üretim potansiyelini arttırmak ve fosfor konsantrasyonunu yükseltmekle kalmayıp, bu atıkların arıtımını da sağlamıştır. Due to depleting phosphorus reserves and the nonrenewable and irreplaceable nature of phosphorus with another substance, phosphorus recovery has become increasingly important so as one of the significiant problems awaiting emerging solution..Phosphorus is one of the building blocks of cells and essential for the sustainability of agricultural land as well as it is crucial for the continuation of the life cycle.Beside of that phosphorus obtained from phosphorus rocks naturally, unnatural phosphorus cycle can also be considered as phosphorus source. Unnatural phosphorus cycle involves extensive applications in a variety of industries and products including detergents, fertilizers, paints, food and baverages, pharmaceuticals also human and animal excrement. Becausethis cycle is a valuable phosphorus resource, a significiant amount of phosphorus is recovered from this cycle as well as avoiding the excess phosphorus discharge to ecosystem. So, wastewater could be used as a major phosphorus resource.The aim of this study is to recover phosphorus from anaerobic digester supernatant. In particular, studies showed that high amount of phosphorus could be recovered from enhanced biological phosphorus removal wastewater treatment plants with anaerobic digestion reactor.Phosphorus recovery methods constitute the largest part of the crystallization process, which is addition of chemicals to the wastewater or sewage sludge, the precipitated phosphorus is provided. Product of recovered phosphorus has ability to be used as fertilizer on agricultural land.In this study, phosphorus is recovered from the supernatant of an anaerobic digester as sutrivite precipitate. In order to increase both the amount of phosphorus recovered and biogas efficiency, various wastes (sewage sludge, municipal organic waste and leachate) were digested together anaerobically. After anaerobic digestion, phosphorus is recovered as struvite precipitation through pH adjustment with 0,1 M NaOH without any chemical addition, . Phosphorus (total phosphorus and ortophosphate) and ammonia nitrogen were analyzed from anaerobic digester supernatant and struvite precipitate that is dissolved in acidic solution to measure the efficiency of recovered phosphorus,. 77 % phosphorus recovery with struvite precipitation is provided.Although reserves of phosphate rocks have been run out speedily and various studies have been conducted about phosphorus recovery from wastewater treatment plants, current recovery technologies can not cope with the mining the phoshate rocks in terms of price. As well as necessitation of developments at phosphorus recovery studies, restricting phosphorus use to essential uses, improving the efficiency of phosphorus use and increasing the phosphorus recycling in the economy should be done. 93

The most sustainable and environmentally friendly butyric acid production method is fermentation; however, low production yield and high substrate cost limit the competition with petrol-based production. The study is aimed to enhance butyric acid production via bioaugmentated mixed culture by Clostridium butyricum from dairy industry wastewater fermentation. The bioaugmentation of C. butyricum increased butyric acid production (mgCOD L-1) from 260±36 to 2889±180. The total VFA production (mgCOD L-1) was increased from 1434±217 to 4642±1778 in control and bioaugmented reactors, respectively. There was a positive correlation between the gene copies of C. butyricum with butyric, hexanoic, n-heptanoic, valeric acids production. The cycle analysis showed that 6 hours in the bioaugmented reactor, 14 hours in the control reactor would be sufficient for similar production efficiency. The study provides a fundamental solution to step forward to achieve next-generation biorefineries by using both monocultures modularity and mixed culture robustness and stability regarding. QC 20200817

Our modern cities are resource sinks designed on the current linear economic model which recovers very little of the original input. As the current model is not sustainable, a viable solution is to recover and reuse parts of the input. In this context, resource recovery using nature-based solutions (NBS) is gaining popularity worldwide. In this specific review, we focus on NBS as technologies that bring nature into cities and those that are derived from nature, using (micro)organisms as principal agents, provided they enable resource recovery. The findings presented in this work are based on an extensive literature review, as well as on original results of recent innovation projects across Europe. The case studies were collected by participants of the COST Action Circular City, which includes a portfolio of more than 92 projects. The present review article focuses on urban wastewater, industrial wastewater, municipal solid waste and gaseous effluents, the recoverable products (e.g., nutrients, nanoparticles, energy), as well as the implications of source-separation and circularity by design. The analysis also includes assessment of the maturity of different technologies (technology readiness level) and the barriers that need to be overcome to accelerate the transition to resilient, self-sustainable cities of the future.