Facing current EBPR bottlenecks in view of full-scale implementation

Abstract

Des de fa temps s’han estudiat els processos d’eliminació biològica de fòsfor (EBPR) en aigües residuals, però la seva implementació a escala real ve associada moltes vegades a fallades no esperades. S’han detectat interaccions negatives amb el procés d’eliminació de nitrogen i matèria orgànica que no s’havien previst en l’estudi dels mateixos de manera individual. Aquesta tesi aprofundeix en la caracterització, l’estudi i la solució de problemes existents a l’hora d’implementar l’eliminació biològica de fòsfor en aigües residuals conjuntament amb l’eliminació biològica de matèria orgànica i nitrogen. La investigació duta a terme en aquesta tesi té dos enfocaments diferents dins d’aquest marc. D’una banda s’estudien les causes de la interacció negativa entre els processos d’eliminació biològica de nitrogen i de fòsfor. D’altra banda s’estudia la possibilitat d’utilitzar, per part dels organismes acumuladors de fòsfor (PAO), fonts de carboni alternatives, que també s’utilitzen en el procés d’eliminació de nitrogen. En el primer lloc, s’estudia una nova estratègia per l’eliminació de nutrients (nitrogen i fòsfor) que consisteix en la bioaugmentació de microorganismes PAO dins d’un sistema de nitrificació i desnitrificació. En aquest estudi es va comprovar que una configuració de SBR amb una fase anòxica amb dues alimentacions i una fase aeròbica permet aconseguir nitrificació, desnitrificació i EBPR. Un punt clau per l’èxit d’aquesta estratègia és proporcionar condicions operacionals adequades per evitar els problemes de “rising”. Es proporcionar una fase aeròbia amb la suficient durada per assegurar el consum del PHA acumulat pels PAO, i evitar la disponibilitat de font de carboni requerida per la desnitrificació. En aquest mateix context també s’estudia la interacció de diferents espècies intermèdies del procés d’eliminació de nitrogen, com són el nitrit i el nitrat, en el procés EBPR. D’altra banda, s’ha estudiat un dels principals problemes per a implementar a nivell real l’EBPR, la manca d’àcids grassos volàtils a l’aigua residual d’entrada al procés. És per això que, en segon lloc, s’han estudiat diverses estratègies per a la utilització de fonts de carboni diferents a les convencionals en el procés EBPR. S’han provat fonts de carboni que actualment s’utilitzen en el procés d’eliminació de nitrogen, com són el metanol i el glicerol, i que, per tant, abaratirien els costos quan ens trobem aigües residuals amb poca DQO disponible per dur a terme l’eliminació simultània de nitrogen i fòsfor. Les estratègies que es proven també són dues: la primera és la substitució directa de la font de carboni convencional (àcid propiònic) per la font de carboni en qüestió dins d’un sistema enriquit en microorganismes PAO. La segona estratègia, més innovadora, és la formació d’un consorci microbià amb llots de digestió anaeròbia, prèviament seleccionat, amb microorganismes PAO on els primers seran capaços de fermentar la font de carboni més complexa cap a àcids grassos volàtils de cadena curta (àcid acètic i propiònic) que seran utilitzats pels PAO per dur a terme el procés EBPR. En el darrer capítol de la tesi, s’estudia una nova estratègia per a aconseguir uns llots enriquits majoritàriament amb microorganismes PAO. Aquest procediment permet eliminar del sistema aquells microorganismes competidors (GAO) que capten la font de carboni que hi ha disponible pels PAO i perjudiquen al procés EBPR. L’aplicació d’aquesta estratègia va resultar en un llot amb un 85% de PAO i en el rentat dels GAO del sistema.

Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) has been extensively studied, but its implementation at full-scale is still associated to unpredictable failures. Furthermore, when EBPR is implemented simultaneously to nitrogen and organic matter removal, some negative interactions have been found, while individually does not occur. This thesis aims to improve the understanding of EBPR and solve some of the issues reported when EBPR is implemented in wastewater treatments together with biological removal of nitrogen and organic matter. The research conducted in this thesis has two different approaches within this framework. On the one hand, the negative interaction between the nitrogen and phosphorus removal processes has been studied. On the other hand, the possibility to use alternative carbon sources, also used in nitrogen removal, has been assessed by developing novel strategies focused on obtaining new syntrophic consortia for application in EBPR. In chapter 4, new insights for simultaneous nitrogen and phosphorus removal are presented. These strategies are based on the bioaugmentation of PAO microorganisms in nitrification/denitrification systems. A cycle configuration with an anoxic phase with two feedings and an aerobic phase was used to achieve nitrification, denitrification and EBPR. A key point for the success of this strategy was to provide proper operational conditions to avoid rising problems. Enough aerobic phase length was required to ensure complete PHA depletion for PAO microorganisms, which avoided the carbon source availability required for denitrification. In this context, the interaction of different intermediates of the nitrogen removal process, such as nitrite and nitrate, on the EBPR processes was studied. The conclusion of such experiments was that intermediate products of the nitrogen removal process, such as nitrate, can affect EBPR process when PAO microorganisms have not been previously acclimated to these conditions. Low concentration of volatile fatty acid in wastewaters has been also reported to be one of the main hurdles problems to implement EBPR process in full-scale WWTPs. For this reason, Chapter 5 presents the studies done in order to use different carbon sources for EBPR. Two carbon sources commonly used in nitrogen removal processes, namely methanol and glycerol, were tested, resulting in a cost reduction when nitrogen and phosphorus were removed simultaneously in wastewaters with low COD content. Two different strategies were assessed: first, the direct replacement of conventional carbon source (propionic acid) to the desired carbon source in a PAO-enriched sludge system. The second strategy, a novel one, was to develop a consortium of anaerobic sludge, comprising previously selected microorganisms, and PAO where the first ferment the complex carbon source to short-chain volatile fatty acids (i.e. acetic and propionic acid) which are subsequently used by the PAO in the EBPR process. Finally, Chapter 6 presents the study of a new strategy to achieve a predominantly PAO-enriched sludge, removing GAO, which uptake significant proportions of the carbon source available for EBPR. The application of this strategy resulted in the 85% of PAO in the enriched sludge, washing out GAO of the system.