Autotrophic nitrogen removal for urban wastewater treatment based on anammox

Abstract

El tractament de les aigües residuals és necessari per evitar riscos sobre la salut pública i els ecosistemes. Actualment, les estacions depuradores d’aigües residuals (EDARs) amb tractament de fangs actius eliminen el nitrogen pel procés de nitrificació/desnitrificació. Aquestes instal·lacions comporten un gran consum econòmic i energètic i, és per això, que els últims estudis s’han enfocat en desenvolupar EDARs urbanes energèticament autosostenibles. La implementació dels bacteris anammox en una EDAR urbana permet separar l’eliminació de matèria orgànica (DQO) i nitrogen. Primerament, la DQO es concentra i es redirigeix a digestió anaeròbica per maximitzar la producció de biogàs. L’efluent és posteriorment tractat per eliminar el nitrogen pel procés de nitritació parcial i anammox (d’ara endavant PN/AMX). Tanmateix, la seva implementació a una EDAR urbana està limitada per les baixes temperatures, per les diluïdes concentracions de nitrogen, pels estrictes límits d’abocament i per la necessitat de ser un procés competitiu. Estudis previs han demostrat que el procés de PN/AMX en una sola etapa a la línia principal, resulta inestable a baixes temperatures. Per aquest motiu s’ha considerat la implementació d’un sistema de dues etapes. L’objectiu principal d’aquesta tesi ha sigut estudiar l’estabilitat del procés de PN/AMX en dos reactors per al tractament d’aigua residual urbana. El primer objectiu va ser investigar l’estabilitat d’un reactor UAnSB (Up-flow anammox sludge bed) al tractar una aigua residual urbana real a una càrrega constant durant uns 350 dies simulant una transició estiu-hivern pel que fa a la temperatura, de 20 a 10 ºC. El reactor va poder mantenir una càrrega estable durant l’operació, alhora que va aconseguir altes eficiències d’eliminació a baixes temperatures. Els bons resultats de l’operació s’han atribuït a la distribució heterogènia del substrat al llarg del reactor que va permetre una sobrecapacitat del llit. L’optimització de la qualitat de l’efluent encara és un repte per poder implementar el procés de PN/AMX. En aquesta tesi es va acoblar el procés anammox amb la desnitrificació heterotròfica en un únic reactor anomenat CANDLE (Coupling Anammox and Denitrification in a singLE unit). El reactor va tractar aigua residual urbana real i simultàniament va ser alimentat amb acetat com a font externa de carboni durant aproximadament 200 dies a temperatures de 20 a 14 ºC. L’activitat heterotròfica desnitrificant va permetre reduir el nitrat produït pels bacteris anammox, sense comprometre la seva activitat, millorant la qualitat de l’efluent i mantenint elevades velocitats d’eliminació de nitrogen. L’estudi de la distribució del substrat al llarg del llit i de les comunitats microbianes va indicar que la coexistència de les dues poblacions va ser possible ja que van ocupar compartiments diferenciats al llarg del llit del reactor. Alhora, l’activitat heterotròfica desnitrificant va permetre mitigar les emissions d’òxid nitrós (N2O). Evitar la producció de nitrat durant el procés de nitritació parcial és un dels majors reptes de cara a la implementació del procés PN/AMX a la línia principal d’una EDAR. Tanmateix, diversos estudis han demostrat que la nitritació parcial pot ser estable a baixes temperatures fent servir reactors granulars. L’últim objectiu va ser investigar la influència de diversos paràmetres operacionals en el desenvolupament de grànuls autotròfics, per tal de mantenir una nitritació parcial estable fent servir fangs actius convencionals com a inòcul en un reactor tipus air-lift. El fet d’augmentar l’activitat amoni oxidant i promoure elevats cabals d’aire van fomentar el desenvolupament de grànuls autotròfics que van permetre una nitritació estable. En síntesis, aquesta tesis assenyala que no haurien d’existir obstacles per l’aplicació del procés PN/AMX a la línia principal d’una EDAR. Tanmateix, encara es necessita més investigació per tal d’aplicar el procés a escala real.

El tratamiento de las aguas residuales es necesario para evitar riesgos sobre la salud pública y los ecosistemas. Las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) con tratamiento de lodos activos eliminan el nitrógeno por el proceso de nitrificación/desnitrificación. Estas instalaciones representan un gran consumo energético y económico. De este modo, los últimos estudios se han enfocado en desarrollar EDARs urbanas energéticamente autosostenibles. La implementación de bacterias anammox en una EDAR urbana permite separar la eliminación de materia orgánica (DQO) y nitrógeno. Primeramente, la DQO se concentra y se redirige a digestión anaeróbica para producir biogás. El efluente es tratado posteriormente para la eliminación nitrógeno mediante el proceso de nitritación parcial/anammox (de ahora en adelante PN/AMX). Sin embargo, su implementación en una EDAR urbana está limitada por sus bajas temperaturas, por las diluidas concentraciones de nitrógeno, por los estrictos límites de vertido y por la necesidad de ser un proceso competitivo. Estudios previos demostraron que el proceso de PN/AMX en una sola etapa resultó ser inestable a bajas temperaturas; así se consideró una mejor opción la implementación de un sistema en dos etapas. El objetivo principal de esta tesis fue estudiar la estabilidad del proceso de PN/AMX en dos reactores para el tratamiento de agua residual urbana. Primeramente, se investigó la estabilidad de un reactor UAnSB (Up-flow anammox sludge bed) de tratar un agua residual urbana real a una carga constante durante unos 350 días simulando una bajada de temperatura de 20 a 10 ºC. El reactor fue capaz de mantener una carga estable durante la operación y consiguió altas velocidades de eliminación a bajas temperaturas. Los buenos resultados de operación se atribuyeron a la distribución heterogenia del sustrato a lo largo del reactor que permitió una sobrecapacidad del lecho, explotada a bajas temperaturas. La optimización de la calidad del efluente aún representa un reto para la implementación del proceso de PN/AMX en una EDAR urbana. En esta tesis se acopló el proceso anammox con la desnitrificación heterotrófica en un solo reactor llamado CANDLE (Coupling Anammox and Denitrification in a singLE unit). El reactor trató un agua residual urbana real y simultáneamente fue alimentado con acetato durante aproximadamente 200 días entre 20 y 14 ºC. La actividad heterotrófica desnitrificante permitió reducir el nitrato producido por anammox, sin comprometer su actividad, y, por tanto, permitió mejorar la calidad del efluente, manteniendo elevadas velocidades de eliminación. El estudio de la distribución del sustrato a lo largo de lecho y de las comunidades microbianas indició que la coexistencia de las bacterias anammox y heterotróficas desnitrificantes fue posible porque ambos ocuparon compartimientos diferenciados en el lecho del reactor. Adicionalmente, la actividad heterotrófica desnitrificante permitió mitigar las emisiones de óxido nitroso. Evitar la potencial producción de nitrato durante el proceso de nitritación parcial es uno de los mayores retos para la implementación del proceso de PN/AMX en la línea principal de una EDAR urbana. Sin embargo, varios estudios han demostrado una nitritación parcial estable a bajas temperaturas usando reactores granulares. El último objetivo fue investigar la influencia de distintos parámetros operacionales en el desarrollo de gránulos autotróficos, para desarrollar y mantener una nitritación parcial estable usando lodos activos como inóculo en un reactor tipo air-lift. El hecho de favorecer la actividad amonio oxidante y promover elevados caudales de aire fomentaron el desarrollo de gránulos autotróficos que permitieron una nitritación parcial estable. En resumen, esta tesis parece indicar que no deberían de existir obstáculos para la aplicación del proceso anammox en la línea principal de una EDAR urbana. Sin embargo, todavía se necesita una mayor labor de investigación para aplicar el proceso a escala real.

Wastewater needs to be correctly treated to avoid the associated public health risks and pollution of natural ecosystems. Nowadays, wastewater treatment plants (WWTPs) remove nitrogen through nitrification/denitrification. Despite current facilities are robust and provide a successful effluent quality, they require for a high energy consumption and operating costs. Research efforts have been focused on achieving energy sustainable and self-sufficient facilities. The implementation of anammox bacteria in the main water line of an urban WWTP allows the uncoupling of the organic carbon (COD) and nitrogen removal. Firstly, COD is concentrated and redirected to anaerobic digestion to maximize biogas production. The effluent is then treated autotrophically through the partial nitritation (PN) and anammox (AMX) reactions. However, its implementation is limited by the cold, diluted and variable concentrations of the main water line, by the strict discharge limits and by the need to be competitive with conventional treatments. As a first approach, the PN/AMX process was tested in one-stage reactor configurations, although destabilization occurred at low temperatures. Two-stage systems were recognized for a better optimization of both processes. Thus, the aim of this thesis was to assess and understand the feasibility of a two-stage PN/AMX process at mainstream conditions. The first objective was to investigate the feasibility of an up-flow anammox sludge bed (UAnSB) reactor during a summer-to-winter temperature transition, from 20 to 10 ºC, plus a three months period at 10 ºC by treating a real mainstream wastewater for ca. 350 days. The UAnSB reactor was able to damp a 10 ºC drop while maintaining high and stable nitrogen removal rates throughout the operation. The successful reactor performance was attributed to the heterogenous substrate distribution along the sludge bed that allowed for an intra bed overcapacity. The optimization of nitrogen removal efficiency and effluent quality is still a challenge of the PN/AMX process. The second objective was to design a reactor configuration for coupling anammox to heterotrophic denitrification in a single reaction unit (i.e. the CANDLE reactor, Coupling Anammox and Denitrification in a singLE unit). The CANDLE reactor treated a real mainstream wastewater and was fed with acetate as a C-source over a temperature range from 20 to 14 ºC for ca. 200 days. The enhancement of heterotrophic denitrifying activity allowed to reduce the nitrate produced by anammox bacteria, without compromising the anammox performance and, thus, to improve effluent quality while maintaining high and constant nitrogen removal rates. The study of substrate distribution along the sludge bed and of the microbial community showed that the coexistence of both populations in a single unit was possible as anammox and heterotrophic denitrifiers occupied differentiated niche compartments. Finally, the enhancement of heterotrophic denitrifying activity allowed for mitigation of nitrous oxide (N2O) emissions.

The potential nitrate production in the PN step is currently limiting the application of mainstream PN/AMX process, although successful long-term operations have been achieved in granular reactors at low temperatures. The last aim was to investigate the influence of different operational parameters in the development of an autotrophic granular sludge performing a stable nitritation using conventional activated sludge as inoculum in an air lift reactor. The enhancement of the ammonium oxidation activity and of the air-flow rate showed to be effective in the development of an autotrophic granular sludge performing a stable nitritation.

Overall, this thesis demonstrated that there seems to be no obstacles for the application of the anammox process at mainstream conditions and that a successful start up of a granular PN reactor can be attained under optimal conditions. Future research should be focused on gaining insight for the implementation of the PN/AMX process at full-scale conditions.