Improving ebpr stability in wwtps aiming at simultaneous carbon and nutrient removal: from modelling studies to experimental validation

Abstract

L’eliminació biològica de nutrients (EBN) a les estacions depuradores d’aigües residuals (EDARs) es considera el procés més rentable y mediambientalment més respectuós per a prevenir l’eutrofització i complir amb els cada cop més restrictius límits d’abocament. L’eliminació biològica de nitrogen (N) ha estat àmpliament estudiada i implementada en nombroses EDARs, tant urbanes com industrials. Contràriament, per a l’eliminació biològica de fòsfor, P, (procés EBPR) no existeixen encara molt exemples de la seva aplicació a escala real, principalment degut a l’aparició de fallades no esperades quan s’integrà amb l’eliminació biològica de N. La presència de nitrat a la fase anaeròbia es considera la principal causa d’aquestes fallades i, tot i la seva importància, els motius que les provoquen no es coneixen en profunditat. La hipòtesi més estesa assenyala que la presència de nitrat en condicions anaeròbies provoca la competència per la font de carboni (DQO) entre els organismes desnitrificants i els acumuladors de P (PAO). No obstant això, l’experiència en plantes reals indica que aquesta hipòtesi no és capaç de descriure l’elevada pèrdua real d’activitat EBPR tenint en compte la quantitat de nitrat present a la fase anaeròbia. Aquesta tesi té com a objectiu entendre els motius subjacents a aquesta perduda d’activitat EBPR i proposar alternatives per a minimitzar les seves causes. Per tal de fer front a aquest objectiu, des de diferents punts de vista, s’han utilitzat diferent eines: modelització, anàlisis microbiològics, optimització multi-criteri, anàlisis multivariable, operació en planta pilot y control de processos. Les principals fites assolides en aquest treball es resumeixen a continuació. Per una banda, es va observar que el contingut en matèria orgànica de l’afluent i la naturalesa d’aquesta són paràmetres clau per entendre la competència entre els organismes desnitrificants i els PAO. A partir de les dades experimentals es pot concloure que quan l’afluent conté principalment àcids grassos volàtils, els PAO són capaços de guanyar la competència per la font de carboni. Contràriament, els organismes desnitrificants es troben afavorits quan es tracta de fonts de carboni més complexes. Per l’altra banda, també es va estudiar l’ús diferents estratègies de control per tal de reduir la pèrdua de EBPR. Així mateix, es va demostrar com la optimització multi-criteri de les consignes dels controlador pot millorar l’operació d’una EDAR, no només reduint els costos d’explotació, sinó que també obtenint un efluent altament clarificat i amb un baix risc de desenvolupar problemes d’origen microbiològic (creixement excessiu de bactèries filamentosos o desnitrificació al decantador secundari). A més, les consignes optimitzades van afavorir el procés EBPR reduint l’entrada de nitrat a la fase anaeròbia. L’addició controlada de glicerol cru (subproducte del biodiesel) va ser provada amb èxit com alternativa per a reduir la competència entre els PAO i els organismes desnitrificants i, alhora, controlar el contingut de P en l’efluent. També, es va desenvolupar un model bioquímic per tal de descriure les dades experimentals obtingudes i per a dissenyar l’estratègia de control, que posteriorment va ser validada a la planta pilot. Malauradament, l’ús de fonts de carboni externes no és rentable a escala real i, per tant, també es va dissenyar i avaluar, in-silico, una nova estratègia de control per a millorar l’eliminació de P sense la necessitat d’afegir font de carboni o agents precipitants. El principi bàsic d’aquesta estratègia és desviar la DQO disponible cap al procés EBPR, en detriment del procés de desnitrificació (major concentració de nitrat en l’efluent), però sempre respectant els límits d’abocament. Finalment, també es va estudiar la importància d’estendre els models bioquímics existents per tal de millorar la simulació dels processos d’eliminació biològica de N i evitar la simulació de pèrdues irreals d’activitat EBPR. D’aquesta manera, es van incloure i estudiar conceptes com la nitrificació/desnitrificació en dos passos o la inclusió de sedimentador reactius.

La eliminación biológica de nutrientes (EBN) en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) se considera el proceso más rentable y medioambientalmente más respetuoso para prevenir la eutrofización y cumplir con los cada vez más estrictos límites de vertido. La eliminación biológica de nitrógeno (N) ha sido ampliamente estudiada e implementada con éxito en numerosas EDARs, tanto urbanas como industriales. Contrariamente, para la eliminación biológica de fósforo, P, (proceso EBPR) no existen aun muchos ejemplos de su aplicación a escala real, principalmente debido a la aparición de fallos inesperados cuando se integra con la eliminación biológica de N. La presencia de nitrato en la fase anaerobia se considera la principal causa de estos fallos y, a pesar de su importancia, los motivos que los desencadenan no se conocen perfectamente. La hipótesis más extendida apunta que la presencia de nitrato en condiciones anaerobias provoca la competencia por la fuente de carbono (DQO) entre los organismos desnitrificantes comunes y los acumuladores de P (PAO). Sin embargo, la experiencia en plantas reales indica que esta hipótesis no es capaz de describir la elevada pérdida real de EBPR considerando la cantidad de nitrato en la fase anaerobia. Esta tesis pretende estudiar los motivos subyacentes a esta pérdida de actividad EBPR y proponer alternativas para minimizar sus causas. Para abordar este objetivo desde diferentes puntos de vista, se han utilizado diferentes herramientas: modelización, análisis microbiológicos, optimización multi-criterio, análisis multivariable, operación en planta piloto y control de procesos. Los mayores logros conseguidos se resumen a continuación. Por un lado, se observó que el contenido en materia orgánica del afluente y la naturaleza de la misma son parámetros clave para entender la competencia entre los organismos desnitrificantes y los PAO. A partir de los datos experimentales se puede concluir que cuando el afluente está formado principalmente por ácidos grasos volátiles, los PAO son capaces de ganar la competencia por la fuente de carbono. Contrariamente, los organismos desnitrificantes son favorecidos cuando se trata de fuentes de carbono más complejas. Por otro lado, se estudió el uso de diferentes estrategias de control para reducir la pérdida de actividad EBPR. Asimismo, se demostró como la optimización multi-criterio de las consignas de los controladores puede mejorar la operación de una EDAR, no sólo reduciendo los costes de explotación, sino también obteniendo un efluente altamente clarificado y un bajo riesgo de desarrollar problemas de origen microbiológico (crecimiento excesivo de bacterias filamentosas o desnitrificación en el decantador secundario). Además, las consignas optimizadas favorecieron el proceso EBPR reduciendo la entrada de nitrato a la base anaerobia. La adición controlada de glicerol crudo (subproducto del biodiesel) fue probada con éxito como alternativa para reducir la competencia entre los PAO y los organismos desnitrificantes por la fuente de carbono y así, controlar el contenido de P en el efluente. Se desarrolló un modelo bioquímico para describir los datos experimentales obtenidos y para diseñar la estrategia de control, posteriormente validada en planta piloto. Sin embargo, el uso de fuentes de carbono externas no es rentable a escala real y, por tanto, también se desarrolló y evaluó in-silico una nueva estrategia de control para mejorar la eliminación de P sin la necesidad de añadir fuente de carbono o agentes precipitantes. El principio básico de la estrategia de control es desviar la DQO disponible hacia el proceso EBPR, en detrimento de la desnitrificación (mayor concentración de nitrato en el efluente), pero respetando limites de vertido. Finalmente, también se estudió la importancia de extender los modelos bioquímicos existentes para mejorar la simulación de los procesos de eliminación biológica de N y evitar la simulación de fallos irreales en el proceso EBPR. De este modo, se incluyeron y estudiaron conceptos como la nitrificación/desnitrificación en dos pasos o la inclusión de sedimentadores reactivos.

Considering biological nutrient removal (BNR) in WWTPs seems nowadays an obligated short-term aim because it is the most economical and environmental alternative to prevent eutrophication of water bodies and to meet the increasingly stricter discharge limits. Biological nitrogen (N) removal has been widely studied and successfully implemented in numerous WWTPs for treating both urban and industrial wastewater. On the other side, the so called Enhanced Biological Phosphorus (P) Removal (EBPR) process is not widely applied at full-scale yet because among other reasons, unpredictable EBPR failures have been reported when it is integrated with biological N removal. Nitrate recycling to the anaerobic phase is one of the most reported causes triggering this EBPR failure in real WWTPs and, despite its importance, the causes are not fully understood yet. A commonly accepted hypothesis is that nitrate presence triggers the competition for the carbon source between denitrifying ordinary heterotrophic organisms (OHO) and Polyphosphate Accumulating Organisms (PAO). However, experimental results show that this hypothesis fails to describe the magnitude of EBPR deterioration when the amount of nitrate entering the anaerobic zone is considered. This thesis aims at understating the EBPR deterioration due to nitrate presence in the anaerobic phase and studying alternatives to minimise the causes leading to this failure. Different tools have been used to study both topics from different points of view: modelling, microbial analysis, multi-criteria optimisation of the process performance, multivariate analysis, pilot plant operation and process control. As an overview, the main achievements of this thesis are next summarized. On the one hand, it was observed that the influent COD content and the nature of the carbon source are key parameters to understand the competition between OHO and PAO. The results obtained in pilot plant operation show that when influent COD was mainly composed by volatile fatty acids, PAO could outcompete OHO for the carbon source. Contrary, with more complex carbon sources, EBPR failed because denitrification process was favoured reducing COD available for PAO. On the other hand, the use of different control strategies has been assessed as a mitigating alternative to reduce EBPR failure. On this context, this thesis showed that multi-criteria optimisation of the controller setpoints can improve WWTP operation in terms of not only reducing the running costs but also ensuring low effluent discharges and low risk of developing microbiology-related failures (bulking or rising sludge). The optimised setpoints favoured P-removal process by reducing the nitrate load recycled to the anaerobic reactor. The controlled addition of crude-glycerol (biodiesel byproduct) was also demonstrated to be very useful to prevent nitrate-driven EBPR failure and for controlling effluent P concentration. A biochemical model was developed for describing the experimental data and to design the control strategy that was afterwards experimentally validated. However, the use of external carbon sources cannot be cost-effective at full-scale and thus, a novel control strategy aiming at improving P-removal without adding external carbon sources or chemicals for P precipitation was in-silico developed and evaluated. The principle behind this novel control strategy was diverting the available COD to P-removal and not to denitrification process (i.e. N in the influent increased), but always below the discharge limits. Finally, it was also studied the importance of new model extensions to correctly describe N removal. Hence, two-step nitrification/denitrification or reactive settler approaches should be considered to avoid unrealistic failure prediction of EBPR process.