Phosphorus (P) is an essential nutrient for all living organisms, yet its availability is limited within the European Union (EU), leading to a complete reliance on imports to meet the region’s P demand. This dependency highlights the urgent need to explore alternative P sources, with recovery from secondary resources emerging as a viable solution. Concurrently, marine eutrophication, particularly in the Baltic Sea, has become a global environmental crisis due to decades of nutrient over-enrichment. According to Baltic Marine Environment Protection Commission’s (HELCOM) eutrophication assessment, over 97% of the Baltic Sea region fails to meet good environmental status, with 12% classified as being in the worst condition. Addressing these dual challenges, P resource scarcity and P-driven eutrophication, requires innovative approaches. Recovering P from eutrophic Baltic Sea sediments presents a promising strategy, offering the dual benefits of P recycling and eutrophication mitigation. This Ph.D. research aims to develop a chemical bioengineering-method for P release and recovery from Baltic Sea sediments, contributing to both resource sustainability and environmental restoration. 

Anaerobic batch experiments demonstrated that among various carbon sources, propionic acid and glucose exhibited significantly higher stimulation of P release, indicating their stronger potential for promoting P mobilization under anaerobic conditions. Subsequent long-term sequencing batch reactor (SBR) operations further verified that supplementation with propionic acid at 200 mg/L chemical oxygen demand (COD) effectively facilitated both P anaerobic release and aerobic uptake from marine sediments, while selectively enriching polyphosphate-accumulating organisms (PAO)-related family (Rhodocyclaceae), whose abundance increased from 0% to 16% within 42 days.

Building on these findings, optimized operational conditions were applied to achieve enhanced PAO enrichment and P concentration for subsequent struvite precipitation. Cyclic anaerobic-aerobic cultivation promoted PAO abundance at the genus level from 0.06% to 7.1%, while achieving satisfactory P release (8.61 mg P/g VSS·h-1) and uptake (8.43 mg P/g VSS·h-1) within the sediment-inoculated SBR. Additionally, extended anaerobic operation enabled the concentration of low-P solutions into high-P supernatants (up to 99.5 mg/L), facilitating efficient P recovery with a rate exceeding 95%. Notably, this P extraction process further accelerated PAO enrichment at the genus level, increasing their abundance from less than 15% to 52.1% by the end of the operation. 

Furthermore, a combined strategy involving PAO inoculation and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) addition was proposed to further enhance P release from marine sediments. This approach achieved a final P release efficiency exceeding 80% within 13 days, with the P concentration reaching approximately 150 mg/L and PAO abundance increasing rapidly from <13% to over 65%. PHREEQC simulations and precipitation experiments confirmed the feasibility of recovering the released P via precipitation. 

Overall, this study provides new insights into the microbial mechanisms and engineering strategies for P release and recovery from marine sediments, offering a promising approach for sustainable P resource management and eutrophication mitigation.

Fosfor (P) är ett livsnödvändigt näringsämne för alla levande organismer, men tillgången inom Europeiska unionen (EU) är begränsad, vilket har lett till ett fullständigt beroende av import för att möta regionens P-behov. Detta beroende understryker det akuta behovet av att undersöka alternativa P-källor, där återvinning från sekundära resurser håller på att utvecklas till en hållbar lösning. Samtidigt har årtionden av övergödning utvecklats till en global miljökris och särskilt Östersjön är hårt drabbad. Enligt data från HELCOMs eutrofieringsbedömning har över 97 % av Östersjöregionen inte god miljöstatus, där 12 % klassificeras som värsta möjliga tillstånd. För att hantera dessa dubbla utmaningar, brist på P-resurser och P-relaterad övergödning, krävs innovativa lösningar. Återvinning av P från eutrofa sediment i Östersjön är en lovande strategi som kombinerar resurshantering med miljöförbättring. Syftet med detta doktorandprojekt är att utveckla en kemisk bioteknisk metod för frisättning och återvinning av P från Östersjösediment, vilket bidrar till både resurshållbarhet och ekologisk återställning.

Anaeroba satsförsök visade att propionsyra och glukos, bland ett flertal kolkällor, kraftigt stimulerade frisättning av P, vilket indikerar deras stora potential för att mobilisera P under dessa förhållanden. Efterföljande långtidsförsök i sekventiell batchreaktor (SBR) bekräftade att tillsats av propionsyra vid 200 mg/L kemisk syreförbrukning (COD) effektivt underlättade både anaerob frisättning och aerobt upptag av P från marina sediment, samtidigt som den selektivt berikade PAO-relaterade bakterier (Rhodocyclaceae), vars förekomst ökade från 0 % till 16 % inom 42 dagar.

Med utgångspunkt av dessa resultat tillämpades optimerade driftsförhållanden för att ytterligare förstärka PAO-berikning och P-koncentrering inför efterföljande utfällning av struvit. Cyklisk anaerob–aerob odling ökade förekomsten av PAO på genusnivå från 0,06 % till 7,1 %, samtidigt som en hög P-frisättning (8,61 mg P/g VSS·h-1) och ett högt P-upptag (8,43 mg P/g VSS·h1) uppnåddes i den sedimentinokulerade SBRen. Vidare möjliggjorde förlängd anaerob drift en koncentrationsökning från låg-P-lösningar till hög-P-supernatanter (upp till 99,5 mg/L), vilket möjliggjorde effektiv återvinning med en effektivitet över 95 %. Noterbart påskyndade denna P-utvinningsprocess ytterligare PAO-berikningen, med en ökning från mindre än 15 % till 52,1 % vid driftens slut.

Dessutom utvärderades en kombinerad strategi med PAO-inokulation och tillsats av etylendiamintetraättiksyra för att ytterligare öka P-frisättningen från marina sediment. Denna metod uppnådde över 80 % P-frisättning inom 13 dagar, med en P-koncentration som uppnådde cirka 150 mg/L och en snabb ökning av PAO från <13 % till över 65 %. PHREEQC-simuleringar och utfällningsförsök bekräftade möjligheten att återvinna den frigjorda P genom utfällning.

Sammanfattningsvis ger denna studie nya insikter i mikrobiella mekanismer och tekniska strategier för frisättning och återvinning av P från marina sediment. Studien erbjuder ett lovande tillvägagångssätt för hållbar resurshantering och bekämpning av övergödning.