Home About Browse Search
Svenska


Microbial nitrate removal from mining waters

Hellman, Maria (2018). Microbial nitrate removal from mining waters. Uppsala : Sveriges lantbruksuniv.
ISBN 978-91-576-9589-5
eISBN 978-91-576-9590-1
[Licentiate thesis]

[img]
Preview
PDF
967kB

Abstract

Mining activities cause high levels of nitrogen in the process water. The nitrogen originates from the blasting procedure, where undetonated explosives in the form of ammonium nitrate dissolve in the water. Part of the water is discharged to receiving water bodies where it may cause environmental problems. To meet current regulations, the nitrate concentration in the discharge water needs to be reduced. Two nitrate removal systems were studied in the thesis, denitrifying bioreactors and pond sediments. The overall aim was to identify and investigate factors affecting microbial nitrate removal in the systems. This was done by analysing the microbial communities in the systems using molecular methods and biochemically by measuring denitrification rates.

We reported for the first time a pilot-scale denitrifying bioreactor treating mining water. The reactor efficiently removed nitrate after addition of external carbon. There were indications on preferential flow paths in the reactor, hence probably only a part of the substrate volume contributed to the removal. In a laboratory experiment we tested different reactor substrates; barley straw and Carex rostrata supported higher nitrate removal rates than woodchips did. Initially, there was an increase in bacterial alpha-diversity in all reactor types and when the bacterial community stabilised, it was reflected in more stable nitrate removal rates, most obvious in the woodchip reactors. All three substrates developed distinct bacterial communities. The denitrification rates in pond sediments from the LKAB mining site in Kiruna, Sweden were limited by organic carbon availability. A microcosm experiment showed that treating the sediment with carbon for a period can increase the rates. However, the choice of carbon type impacts the metabolic pathways in the system and adverse effects in the form of methane production and accumulation of ammonium were observed in the treatment with carbon in the form of algae.

To conclude, constructed systems where denitrification takes place can successfully remove nitrate from mining waters. Organic carbon quality and availability is a crucial factor for the removal efficiency and for determining the composition of the microbial communities performing the reduction of nitrate.

Authors/Creators:Hellman, Maria
Title:Microbial nitrate removal from mining waters
Alternative abstract:
LanguageAbstract
Swedish

Gruvdrift orsakar höga halter av kväve i det vatten som cirkuleras i processen. Kvävet kommer från arbetet med att spränga; de sprängämnen som inte detonerar löses upp i vattnet i form av ammoniumnitrat. En del av vattnet släpps ut i de omgivande vattendragen där det kan orsaka miljöproblem. För att uppfylla gällande bestämmelser måste nitratkoncentrationerna i utsläppsvattnet minskas. I avhandlingen studeras två system för att reducera nitrathalterna, denitrifierande bioreaktorer och dammsediment. Avhandlingens övergripande mål var att identifiera och studera faktorer som påverkar mikrobiell nitratreducering i systemen genom att göra biokemiska och mikrobiologiska analyser. Vi använde molekylära metoder för att studera hur mikrobsamhällena i systemen var sammansatta och denitrifikations-hastigheten användes som ett mått på den biokemiska aktiviteten. Vi beskrev för första gången en denitrifierande bioreaktor som reducerade nitrathalten i gruvvatten. Reaktorn avlägsnade nitrat ur vattnet effektivt, men först efter tillsats av organiskt kol. Flera av resultaten tydde på att det fanns olika flödesvägar genom reaktorn, följaktligen bidrog inte hela reaktorvolymen till nitratreduktionen. Tre möjliga substrat för bioreaktorer testades i ett laboratorieförsök; strå av korn och starren Carex rostrata reducerade nitrathalten mer effektivt än vad träflis gjorde. I början av experimentet ökade den bakteriella alfa-diversiteten i alla reaktortyper och när ökningen planade ut reflekterades det i nitratreduceringen, tydligast i träsflisreaktorerna. Unika bakteriesamhällen utvecklades i alla tre substrat. Tillgängligheten av organiskt kol begränsade denitrifikationen i dammsediment från LKAB:s gruvområde i Kiruna. Ett annat försök visade att en periods kol-tillsatser till sedimentet kan öka denitrifikationen. Valet av koltyp påverkar vilka metabola vägar som uttrycks i systemet och vi kunde se negativa effekter i form av metanproduktion och anrikning av ammonium i vattnet när kol tillsattes i form av alger. Sammanfattningsvis, konstruerade system där denitrifikation äger rum kan avlägsna nitrat från gruvvatten. Typen av och tillgången till organiskt kol är en avgörande faktor för systemens effektivitet och för vilka specifika mikrobsamhällen som utvecklas i dem.

Year of publishing :7 September 2018
Depositing date:6 September 2018
Number of Pages:48
Papers/manuscripts:
NumberReferences
IHerbert, R.B.*, Winbjörk, H., Hellman, M. and Hallin, S. (2014). Nitrogen removal and spatial distribution of denitrifier and anammox communities in a bioreactor for mine drainage treatment. Water Research, 66, pp. 350-360.
IIHellman, M. *, Hubalek, V., Almstrand, R., Peura, S. and Hallin, S. Substrate type determines activity and community composition in lab-scale bioreactors for nitrate removal by denitrification at low temperatures. (manuscript)
IIIHellman, M., Bonilla-Rosso, G., Widerlund, A., Juhanson, J. and Hallin, S.* External carbon addition for enhancing denitrification modifies community composition and affects CH4 and N2O emissions in sub-arctic mining pond sediments. (manuscript)
Place of Publication:Uppsala
Publisher:Department of Forest Mycology and Plant Pathology, Swedish University of Agricultural Sciences
ISBN for printed version:978-91-576-9589-5
ISBN for electronic version:978-91-576-9590-1
Language:English
Publication Type:Licentiate thesis
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:P Natural resources > P10 Water resources and management
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 106 Biological Sciences (Medical to be 3 and Agricultural to be 4) > Microbiology (Microbiology in the medical area to be 30109)
Agrovoc terms:mining, water purification, nitrates, denitrification, bioreactors, sediment
Keywords:denitrification, denitrifying bioreactor, sediment, microbial community
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-4988
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-4988
ID Code:15644
Faculty:NJ - Fakulteten för naturresurser och jordbruksvetenskap
Department:(NL, NJ) > Dept. of Forest Mycology and Plant Pathology
(S) > Dept. of Forest Mycology and Plant Pathology
External funders:Swedish Agency for Innovation Systems
Deposited By: Maria Hellman
Deposited On:11 Sep 2018 07:36
Metadata Last Modified:11 Sep 2018 10:14

Repository Staff Only: item control page

Downloads

Downloads per year (since September 2012)

View more statistics

Downloads
Hits