uu.seUppsala University Publications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Microbial Controls on Net Production of NOx Species in a Denitrifying Woodchip Bioreactor
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences, LUVAL.
Sveriges Lantbruksuniversitet, institutionen för skoglig mykologi och växtpatologi.
Sveriges lantbruksuniversitet, instutionen för skoglig mykologi och växtpatologi.
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences, LUVAL.
(English)Manuscript (preprint) (Other academic)
National Category
Water Treatment
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-380384OAI: oai:DiVA.org:uu-380384DiVA, id: diva2:1299506
Projects
miNing
Funder
Vinnova, 2014-011334Available from: 2019-03-27 Created: 2019-03-27 Last updated: 2019-03-27
In thesis
1. Biogeochemical Processes in Denitrifying Woodchip Bioreactors and their Application in the Mining Industry
Open this publication in new window or tab >>Biogeochemical Processes in Denitrifying Woodchip Bioreactors and their Application in the Mining Industry
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Biogeokemiska processer i kvävebarriärer med tillämpning inom gruvindustrin
Abstract [en]

This thesis evaluates passive denitrifying woodchip bioreactors (DWBs) for the removal of nitrate (NO3-) in neutral pH mine drainage, where water is passed through a carbon-rich porous matrix (e.g. woodchips) for the reduction of NO3- to nitrogen gas. DWBs have been used for the removal of NO3- from water in various settings and are expected to operate with little maintenance for at least a decade; however, the processes controlling the emission of greenhouse gases and other undesirable by-products, as well as the magnitude and variability in NO3- removal rates and how these develop over time, are not completely understood and were the focus of this thesis.

Water treatment in DWBs was investigated in laboratory-scale column tests and in a pilot-scale bioreactor installed at the Kiruna iron ore mine, northern Sweden. Denitrification was the major pathway for NO3- removal in both experimental systems. Incoming NO3- concentrations (up to 30.0 mg N L-1) were removed to below detection limits at temperatures and hydraulic residence times (HRTs) between 5-22°C and ~1.9-2.6 days, respectively, without substantial production of nitrite or ammonium (NH4+). NO3- removal was incomplete in both systems when HRTs decreased to ~1 day, and/or as temperature decreased below 5°C in the pilot-scale bioreactor, under which conditions an increased production of nitrous oxide (N2O) and NH4+ was observed (relative to the NO3- reduced).

In the column tests, non-ideal flow was detected and solute transport was described using a dual-porosity model. Stagnant zones not transmitting flow did not participate in NO3- removal and the fraction of immobile water increased with increases in the advection velocity, suggesting that bioreactor performance could be enhanced by emphasizing design with low advection velocities.  

The study demonstrated that dominating biogeochemical processes varied with time in the pilot-scale bioreactor. There was a decline in organic carbon export and increase in pH and alkalinity that, based on a stoichiometric mass-balance, was suggested to be the result of a change in fermentation end-products that provided a carbon source to the denitrifying community. The decline in NO3- removal rates and biogeochemical process diversity, and the preferential selection of denitrifiers with the genetic capacity for reduction to N2O, but not N2, are hypothesized to arise from the temporal development of syntrophic structures between fermenters and denitrifiers.

Abstract [sv]

Denna avhandling utvärderar passiva kvävebarriärer (eng. denitrifying fixed-bed bioreactors) som en metod för att minska kvävehalter i gruvvatten (neutralt pH), där vattnet rinner genom en porös matris rik på kol (här träflis) för att omvandla nitrat (NO3-) till kvävgas. Kvävebarriärer har tidigare använts i olika miljöer för att minska nitrathalter i vatten och förväntas fungera med minimalt underhåll i upp till tio år. Dock så är de processer som kontrollerar utsläpp av växthusgaser och andra biprodukter, samt variabiliteten i nitratreduceringshastigheter och hur dessa förändras över tid, fortfarande relativt okända i dessa system och var fokus i denna avhandling.

Kvävereningen i kvävebarriärer utvärderades i kolonnstudier samt i en barriär i pilotskala som installerades vid Kirunagruvan i Kiruna. Denitrifikation var den huvudsakliga processen varmed NO3- reducerades i båda systemen. Inkommande NO3- koncentrationer (upp till 30.0 mg N L-1) reducerades till under detektionsgränsen vid temperaturer mellan 5-22°C och uppehållstider mellan ~1,9-2,6 dagar, utan betydande produktion av nitrit (NO2-) eller ammonium (NH4+). Då uppehållstiden minskades till ~1 dag förblev inkommande NO3- ofullständigt reducerat i båda systemen; vid låga temperaturer (<5°C) och/eller uppehållstider om ~1 dag i barriären så ökade produktionen av lustgas (N2O) och NH4+ (relativt den reducerade mängden NO3-).

Preferentiellt flöde i träflismatrisen påvisades i kolonnstudierna och ämnestransporten beskrevs med en ’dubbel-porositets’-modell. Zoner i träflismatrisen som inte deltog i flödet ökade tillsammans med flödeshastigheten i systemet och bidrog inte till att minska nitrathalter, vilket tydde på att reningskapaciteten i dessa system kan ökas genom att främja låga flödeshastigheter.

Den här studien demonstrerade att de dominerande biogeokemiska processerna i den pilotskaliga barriären förändrades med tid. Exporten av organisk kol minskade medan pH och alkalinitet ökade med tid vilket, baserat på en stökiometrisk mass-balans, kunde förklaras av en ändring i slutprodukten från fermentation. Minskningen i nitratreduceringshastigheter och mångfalden av biogeokemiska processer, samt främjandet av denitrifierare med N2O som slutprodukt, diskuterades utifrån en utveckling av syntrofi mellan fermenterare och denitrifierare.

Place, publisher, year, edition, pages
Uppsala: Acta Universitatis Upsaliensis, 2019. p. 65
Series
Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, ISSN 1651-6214 ; 1790
Keywords
water treatment, mine drainage, nitrate, nitrous oxide, DNRA, fermentation, syntrophy, temperature, kväverening, gruvvatten, nitrat, lustgas, DNRA, fermentation, syntrofi, temperatur
National Category
Oceanography, Hydrology and Water Resources Water Treatment
Research subject
Hydrology
Identifiers
urn:nbn:se:uu:diva-380386 (URN)978-91-513-0617-9 (ISBN)
Public defence
2019-05-17, Axel Hambergsalen, Geocentrum, Villavägen 16, Uppsala, 09:00 (English)
Opponent
Supervisors
Projects
miNing
Funder
Vinnova, 2014-01134
Available from: 2019-04-24 Created: 2019-03-27 Last updated: 2019-06-18

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Search in DiVA

By author/editor
Nordström, AlbinHerbert, Roger
By organisation
LUVAL
Water Treatment

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 110 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf