Process development for hospital wastewater treatment by Trametes versicolor

Abstract

Els microcontaminants són un ampli grup de compostos orgànics que s'han detectat a la majoria de compartiments del medi ambient. La seva concentració ambiental està compresa entre pocs ng·L-1 fins a μg·L-1, però es mantenen biològicament actius fins i tot a concentracions tan baixes, poden ser acumulats a través de la cadena tròfica i suposen una amenaça per al medi ambient, la fauna i la salut humana. D'entre els microcontaminants, els fàrmacs (PhACs) generen una especial preocupació. És acceptat que la principal font d'entrada de fàrmacs al medi ambient és via efluents de les estacions depuradores d'aigües residuals (WWTP), on els mecanismes convencionals de llots activats no són suficients per degradar-ne la majoria. En resposta a aquestes preocupacions, la comunitat científica ha destinat molta recerca a mètodes per a la degradació, transformació i/o eliminació de microcontaminants d'aigües residuals d'hospital, on els fàrmacs estan presents a major concentració. D'entre els tractaments possibles, els fongs de podridura blanca (WRF) es presenten com una possibilitat atractiva gràcies al seu baix cost en comparació amb tractaments físics i químics i la seva capacitat de transformar la majoria de compostos gràcies a la seva versàtil maquinària enzimàtica. Els WRF han estat estudiats per a la degradació de fàrmacs en aigües residuals, però la contaminació per microorganismes presents a l'aigua residual ha produït que les operacions en reactor fossin molt curtes. Aquesta tesi aborda aquest problema i proposa diverses estratègies per allargar el tractament. També serveix com a prova que una operació prolongada amb WRF tractant aigua residual d'hospital no estèril és possible. Primer de tot, diversos reactors de llit fluïditzat per polsos d'aire es van operar per estudiar l'efecte que tenien l'addició d'un pre-tractament de coagulació-floculació, l'addició d'un pre-tractament amb llum UV i l'efecte de l'operació com a batch seqüencial (SBR) i en continu en la llargada del tractament. La millor alternativa va ser un reactor en continu amb un pre-tractament de coagulació-floculació. Aquest tren de tractament va ser evaluat en un tractament d'aigua residual d'hospital no dopada amb renovació parcial de la biomassa, i va permetre una operació de dos mesos de durada. A més, diverses variables de procés, a saber, mida del pèl·let, aeració i la ràtio carboni-nitrogen es van estudiar i els valors que van suposar una operació més llarga van ser seleccionats. Aquests estudis previs van permetre per primera vegada una operació prolongada d'un reactor fúngic de llit fluïditzat tractant aigua residual d'hospital no estèril. Aquesta tesi també remarca la importància dels processos de conjugació i desconjugació. Les tècniques analítiques actuals no solen detectar els microcontaminants conjugats, i això impedeix una precisa mesura de la concentració del contaminant estudiat. Per tant, s'haurien de destinar esforços a l'anàlisi de les formes conjugades de compostos. Si s'aconsegueix, podria significar un gran avenç que faciliti l'estudi de l'eliminació de microcontaminants en aigües reals. Les anàlisis de biologia molecular com gel d'electroforesi en gradient desnaturalitzant (DGGE), seqüenciació d'ADN i PCR quantitativa (qPCR) es van aplicar els experiments no dopats per donar informació sobre les comunitats microbiològiques formades durant els tractaments en reactor i per confirmar la presència de T. versicolor durant l'operació. Els resultats suggereixen que el fong es mantenia actiu fins i tot quan l'activitat de l'enzim lacasa no es detectava.

Micropollutants are a wide group of organic compounds that are detected at most compartments of the environment. Their environmental concentration is usually in the range of few ng·L-1 to μg·L-1, but remain biologically active even at such low concentrations, may be accumulated through the food chain and pose a threat to the environment, fauna and human health. Among micropollutants, pharmaceutical active compounds (PhACs) are of special concern. It is accepted that the main sources of PhACs to the environment are effluents from wastewater treatment plants (WWTPs), where conventional activated sludge processes are not able to degrade most of them. Answering to these concerns, the scientific community has devoted extensive research into mechanisms to degrade, transform and /or remove micropollutants from hospital wastewater, where PhACs are present at higher concentrations. Among the possible treatments, white-rot fungi (WRF) are regarded as a cost-effective possibility due to their relatively low cost in comparison with physical and chemical treatments and their capacity to transform most of the compounds thanks to their versatile enzymatic machinery. WRF have been studied for the removal of pharmaceuticals in wastewater, but contamination by wastewater-native microorganisms has produced very short-term reactor operations. The present thesis tackles this problem and proposes several strategies to lengthen the fungal treatment. It also serves as proof of concept of a long-term white-rot fungal operation treating non-sterile real hospital wastewater. First of all, several air-pulsed fluidized bed bioreactors were set up in order to study the effect of the addition of a coagulation-flocculation pretreatment, of the addition of a UV pretreatment and the effect of operating the reactors as a sequencing batch reactor (SBR) or in a continuous fashion on the length of operation. The chosen alternative was a continuous reactor with a coagulation-floculation pretreatment. This treatment train was then evaluated in a non-spiked hospital wastewater treatment with partial biomass restoration, leading to a two-month operation. Additionally, several process variables, namely, pellet size, aeration and carbon-to-nitrogen ratio were studied and the values that led to a longer operation were selected. Those previous studies enabled for the first time a long-term operation of a fungal fluidized bed bioreactor treating real non-sterile wastewater. The importance of conjugation and deconjugation processes is highlighted in this thesis. Conjugated microcontaminants are not usually detected by the current analytical techniques, thus undervaluing the concentration of the pollutant studied. Therefore, an effort should be made to analyze conjugated forms of compounds. If successful, it could be a breakthrough that greatly facilitates the study of removal of micropollutants in real wastewater. Molecular biology analyses such as denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), DNA sequencing and real-time PCR (qPCR) were performed in the non-spiked experiments to give insight on the microbiological communities arisen during the reactor treatment and to confirm the presence of T. versicolor throughout the operation. Results suggested that the fungus was active even when no laccase activity was detected.