Advances in enhanced biological phosphorus removal: amino acids as carbon source and envisaging its integration in high-rate systems

Abstract

Les estacions depuradores d’aigües residuals (EDARs) urbanes estan àmpliament implantades en els països industrialitzats i han d’incorporar processos que permetin l’eliminació biològica de nutrients (nitrogen (N) i fòsfor (P)). A escala laboratori, l’eliminació biològica de fòsfor està altament estudiada però, en la majoria dels casos, utilitzant substrats senzills (àcids grassos volàtils) com a font de carboni. Això dona lloc al desenvolupament d’una població microbiana en la qual predominen uns bacteris acumuladors de fòsfor (Polyphosphate Accumulating Organisms, PAO) catalogats com Accumulibacter. No obstant això, l’impuls de les noves tècniques d’identificació microbiològiques ha demostrat la presència d’altres PAO, diferents als Accumulibacter, a les estacions depuradores d’aigües residuals (EDARs). Per tant, ja que l’aigua residual real és una matriu complexa composta principalment per lípids, proteïnes i carbohidrats, neix la necessitat d’estudiar aquest procés biològic utilitzant substrats més complexos i a una major escala. En aquesta tesi es va proposar operar una planta pilot amb configuració A2/O per a l’eliminació biològica simultània de matèria orgànica, N i P usant glutamat com a font de carboni i nitrogen. A més a més, es va operar un reactor discontinu utilitzant caseïna hidrolitzada com a única font de carboni. Com a resultat, es va desenvolupar una comunitat microbiana enriquida en Thiothrix (37%) i Comamonadaceae (15.6%) en el cas del sistema A2/O, i unes llots enriquides en Tetrasphaera en el cas del SBR. Aquestes poblacions microbianes tenen trets diferenciadors dels cultius enriquits en Accumulibacter. Els tractaments convencionals de fangs actius presenten un gran consum energètic associat principalment a l’aeració i al tractament dels llots. A més a més, la matèria orgànica es mineralitza o es destina a la desnitrificació, en comptes de ser utilitzada per la producció de biogàs. Per tot això, les EDARs són instal·lacions consumidores d’energia. Així doncs, el repte existent avui dia és transformar les EDARs en instal·lacions autosuficients energèticament, mitjançant la implantació del procés A/B, que consta d’una primera etapa, etapa A, en la qual treballant a temps de residència cel·lular (TRC) i hidràulic (TRH) baixos, es pretén minimitzar la mineralització de la matèria orgànica i que aquesta s’adsorbeixi al fang per posteriorment destinar aquests llots a la producció de biogàs; i una etapa B per l’eliminació autotròfica del nitrogen. Malgrat això, aquest procés no contempla l’eliminació biològica de fòsfor. Per tant, aquesta tesi pretén investigar la possible integració de l’eliminació biològica de fòsfor en l’etapa A del procés A/B, mitjançant la incorporació d’una zona anaeròbia que permeti el creixement de PAO. No obstant això, s’ha d’estudiat que aquest bacteris es renten del sistema quan el TRC baixa dels 4 dies, per tant es fa necessari treballar a TRC majors dels típicament utilitzats en els sistemes d’alta càrrega (TRC<2 dies). Per una altra banda, l’influent real utilitzat en aquest estudi tenia un baix contingut en matèria orgànica, pel que ha estat necessari aportar-la externament per desenvolupar l’activitat PAO.

Urban wastewater treatment plants (WWTPs) are widely implemented in industrialized countries and they must incorporate processes for nutrients removal (nitrogen (N) and phosphorus (P)). Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) has been highly studied at lab scale using simple substrates as carbon source, i.e. volatile fatty acids. As a result, a microbial population enriched in polyphosphate accumulating organisms (PAO) is developed, being Candidatus Accumulibacter phosphatis the species of PAO most frequently found. However, the new microbial identification technologies have demonstrated the presence of other PAO different than Accumulibacter in WWTPs. Since real wastewater is a complex matrix, mainly composed of lipids, proteins and carbohydrates, the need to study EBPR process using complex substrates has arisen. Furthermore, studies on a larger scale than lab-scale should be also performed. In this thesis, the operation of a pilot plant with A2/O configuration for simultaneous removal of organic matter, N and P using glutamate as carbon and nitrogen source was proposed. Moreover, a sequencing batch reactor (SBR) using casein hydrolysate as sole carbon source was operated. As a result, a microbial community enriched in Thiothrix (37%) and Comamonadaceae (15.6%) in the case of A2/O system and a biomass enriched in Tetrasphaera in the SBR were developed. These microbial communities present important differences in comparison to Accumulibacter-enriched systems. Conventional activated sludge process presents high energy consumption, mainly associated to aeration and sludge treatment. In addition, organic matter is mineralized or used for denitrification instead of being utilized for biogas production. For these reasons, WWTPs are energy consuming facilities. Nowadays, the transformation of conventional WWTPs into energy self-sufficient facilities is feasible by implementing the A/B process, which consist of a first step, A-stage, which aims at maximizing the carbon capture into the sludge for being treated through an anaerobic digestion system for biogas production; and a second step, B-stage, where the nitrogen is removed through an autotrophic process. However, this process does not include biological P removal. Therefore, this thesis aims to investigate the possible integration of the EBPR in the A-stage of the A/B process, by incorporating an anaerobic zone in order to allow PAO growth. But, PAO bacteria are washed from the system when the SRT is lower than 4 days, so it was needed to work at higher SRTs than those typically used in high-rate systems (SRT<2 days). In addition, real influent was also used in this study, but an external contribution of organic matter was required for the development of the PAO activity.