Towards granular biomass implementation for urban wastewater treatment

Abstract

Una alternativa al tratamiento de aguas residuales urbanas mediante lodos activos son los sistemas de biomasa granular. Las características morfológicas de la biomasa granular le confieren, principalmente, dos ventajas sobre la biomasa floculenta: (i) la habilidad de sedimentar más rápido, y (ii) la posibilidad de realizar simultáneamente procesos aerobios, anóxicos y anaerobios dentro. Dos sistemas basados en biomasa granular han demostrado potencial en el tratamiento de aguas urbanas. En primer lugar, los reactores secuenciales granulares (GSBR), donde se llevan a cabo los mismos procesos biológicos que en los sistemas de lodos activos, pero con las ventajas de la biomasa granular. En segundo lugar, un tratamiento de aguas residuales urbanas basado en tecnología anammox, el cual permitiría una depuración de aguas sin aporte o incluso productora de energía. Esta tesis busca incrementar el conocimiento de estos sistemas de biomasa granular, con el objetivo último de confirmar si la biomasa granular puede ser una alternativa real al tratamiento de aguas residuales urbanas con lodos activos. Para el tratamiento de aguas residuales urbanas con GSBRs, se realizaron dos estudios diferentes. En primer lugar, se estudió el tratamiento un agua residual de baja carga en un GSBR a escala piloto operado durante 11 meses. Se obtuvieron y mantuvieron gránulos maduros durante 5 meses. La eliminación biológica de nitrógeno fue principalmente vía nitrito. La eficacia de nitrificación fue del 75% y se obtuvo desnitrificación simultánea a la nitrificación durante las fases aerobias del GSBR. Se observó una acumulación progresiva de sales de fósforo (probablemente apatita) entre los días 150 y 300, que pudo influir negativamente en desestabilización de los gránulos al final del periodo experimental. En segundo lugar, se llevó a cabo un estudio mediante modelización matemática para determinar estrategias de control automático que permitan mejorar la eliminación biológica de nitrógeno en un GSBR. Se diseñaron simulaciones específicas para elucidar el efecto sobre la eficacia de nitrificación-desnitrificación de la concentración de oxígeno disuelto, el tamaño de gránulo, la ratio C/N del afluente y la carga volumétrica de nitrógeno. Los resultados de las simulaciones mostraron que se pueden obtener altas eficacias de eliminación de nitrógeno simplemente fijando la consigna de oxígeno disuelto apropiada. Esa consigna apropiada se puede encontrar fácilmente en función de la concentración de amonio en el efluente. Se usaron estos resultados para proponer una estrategia de control que mejorara la eficacia de eliminación de nitrógeno. Respecto al tratamiento de aguas residuales urbanas basado en tecnología anammox en un sistema de 2 etapas, se realizaron dos estudios adicionales. En el caso de la nitritación parcial, se operó un reactor granular de 2.5L trabajando en continuo, tratando un agua residual con una concentración de nitrógeno baja y a bajas temperaturas. Se obtuvo, durante más de 450 días, un efluente adecuado para alimentar un reactor anammox posterior, incluyendo más de 365 días a temperaturas iguales o menores a 15 ºC. Se usó un modelo matemático ya existente para explorar las razones que permitieron obtener nitritación parcial a temperaturas tan bajas. Finalmente, se usó la técnica de la pirosecuenciación para explorar cambios en la estructura de la comunidad microbiana de un reactor granular anammox tras un choque térmico. Tras el choque térmico, la capacidad de eliminación de amonio se redujo un 92%. Los resultados de la pirosecuenciación indicaron que la diversidad microbiana en el reactor aumentó a medida que el reactor se recuperaba del choque térmico. En general, los resultados de la pirosecuenciación fueron acordes con los resultados de eliminación de nitrógeno y con los test de actividad anammox realizados durante el proceso de recuperación. Se usó un primer anammox específico para determinar con precisión las especies anammox en el reactor.

Granular biomass has been proposed as an alternative to activated sludge for the sewage treatment. The morphological characteristics of granular biomass, provides granules two main advantages over flocular biomass: (i) the ability of settling faster, and (ii) the possibility of performing aerobic, anoxic and anaerobic processes simultaneously. Two different granular systems have a demonstrated potential for the treatment of urban wastewater. First, aerobic granular sequencing batch reactors (GSBR), which perform the same nutrient removal process occurring in activated sludge systems, but taking advantage of the abovementioned granular sludge properties. Second, an anammox-based sewage treatment, which could allow obtaining a more sustainable (energy-neutral or even energy-positive) wastewater treatment. This thesis is focused in improving the knowledge of these granular biomass systems towards confirming granular biomass as a real alternative to urban wastewater treatment with activated sludge. For urban wastewater treatment with GSBRs, two different studies were done. First, the stability of granules and their performance at pilot scale were first studied in a 100 L GSBR treating low-strength wastewater for simultaneous carbon, nitrogen and phosphorus removal was operated for eleven months. Mature granules prevailed in the GSBR during a period of five months. The biological nitrogen removal with mature granules was mainly performed via nitrite. Nitrification efficiency was higher than 75% and occurred simultaneously with denitrification during the aerobic phase of the GSBR. A progressive accumulation of P-salts (probably apatite), was found from days 150 to 300, which could enhance the destabilization of granules at the end of the experimental period. Second, a model-based study was carried out to determine the guidelines to design an automatic control strategy with the final aim of enhancing biological N-removal in a GSBR. Specific simulations were designed to elucidate the effect of DO concentration, granule size, influent C/N ratio and NLR on the nitrification-denitrification efficiency. Simulation results showed that, in general, high N-removal efficiencies (from 70 to 85 %) could be obtained only setting the appropriate DO concentration. That appropriate DO concentration could be easily found based on effluent ammonium concentration. Those results were used to propose a control strategy to enhance N-removal efficiencies. Regarding the anammox-based sewage treatment in a two-step system, two additional studies were carried out. For the partial nitritation step, a bench-scale granular sludge bioreactor was operated in continuous mode with a low nitrogen concentration wastewater at low temperatures. An effluent suitable to feed a subsequent anammox reactor was maintained stable during more than 450 days, including more than 365 days at temperatures equal or lower than 15ºC. A previously existing mathematical model was used to determine why partial nitritation was feasible. Simulations showed that NOB was only effectively repressed when their oxygen half-saturation coefficient was higher than that of AOB. Simulations also indicated that a lower specific growth rate of NOB was maintained at any point in the biofilm due to the bulk ammonium concentration imposed through the control strategy. Finally, pyrosequencing technique was used to explore the microbial community structure changes during the recovery process of an anammox granular reactor after a temperature shock. The temperatures shock reduced the nitrogen removal rate up to 92% compared to that just before the temperature shock, and it took 70 days to recover a similar nitrogen removal rate to that before the temperature shock. Pyrosequencing results indicated that microbial diversity in the reactor decreased as the reactor progressively recovered from the temperature shock. In general, pyrosequencing results were in agreement with N-removal performance results and SAA measured in the reactor during the recovery process. An anammox specific primer was used to precisely determine the anammox species in the biomass samples.