The integration of resource recovery strategies in enhanced biological phosphorus removal

Abstract

A mesura que creix la demanda mundial d'aigua, la quantitat d'aigües residuals produïdes i la càrrega contaminant global augmenten contínuament a tot el món. Per tant, el tractament de les aigües residuals s'està convertint en un punt crític en la gestió de l'aigua en vista de la potencial amenaça per a la salut pública, així com els problemes ambientals. En aquest sentit, les plantes de tractament d'aigües residuals (EDAR) s'estan transformant en instal·lacions de recuperació de recursos hídrics (WRRF) amb l'objectiu d'aconseguir una bona qualitat dels efluents, així com de recuperar recursos (com el carboni (C) ), el nitrogen (N) i el fòsfor (P)), aigua i energia de forma sostenible. L'eliminació biològica millorada de fòsfor (EBPR) és la forma més eficient d'eliminar el P. El nou paradigma de les EDAR que evolucionen cap als WRRF intenta canviar l'eliminació de P per la recuperació de P de les aigües residuals a causa de la seva importància a la producció d'aliments i als dipòsits limitats del nostre planeta. A les EDAR basades en l'EBPR, la ubicació més coneguda per precipitar/recuperar el P és el digestat del procés de tractament de llots. Això no obstant, pot donar lloc a una precipitació no desitjada en els reactors, els tubs i la instrumentació. Com a alternativa, el reactor anaeròbic sembla proporcionar un escenari ideal amb una alta concentració de P: la recuperació de P al corrent principal. La integració de l'etapa A i l'EBPR (A-stage-EBPR) és prometedora per a l'eliminació simultània de P i DQO, així com per a la recuperació d'energia. La naturalesa de la font de carboni a l'aigua residual afluent té un paper important en el procés EBPR. Recents avenços microbiològics a les EDAR a escala real han mostrat una gran diversitat de PAO putatius diferents d'Accumulibacter que són seleccionats a causa de la presència d'altres substàncies a l'aigua residual real. Cal millorar les perspectives d'utilització de les diferents fonts de carboni. Per tant, aquesta tesi revisa les estratègies d'utilització de diferents fonts de carboni amb un èmfasi especial en els productes de fermentació dels biosòlids com a font de carboni addicional. En segon lloc, una baixa concentració de DQO és una de les principals causes del fracàs de l'EBPR a les EDAR a gran escala. Es proposa el fermentador de llots lateral (SSSF) per resoldre aquest problema introduint part dels llots residuals per a la seva fermentació per tal de proporcionar DQO addicional per al procés principal, cosa que no només estalvia el cost sinó que també disminueix l'empremta de carboni prescindint de l'addició de carboni extern. Al capítol 4 s'avaluen diferents estratègies de recuperació de P, especialment l'inici de la nova recuperació de P al corrent principal. A més, es va avaluar exhaustivament l'efecte de diferents fonts de carboni en el rendiment de l'EBPR per anar més enllà del coneixement de les fonts de carboni comunes (acetat i propionat) i, específicament, la viabilitat dels residus sòlids com a font de carboni. Es va operar un sistema continu d'A/O a escala pilot (42 L) en un SRT i DO baixos per a l'eliminació de P amb el mínim de mineralització de carboni per a la recuperació d'energia (Capítol 5). Per acabar, es va investigar el rendiment de la incorporació d'un SSSF en una configuració d'A2O (S2EBPR) sota una condició d'influent de baixa DQO i es van avaluar les comunitats microbianes (Capítol 6).

A medida que crece la demanda mundial de agua, la cantidad de aguas residuales producidas y su carga contaminante global aumentan continuamente en todo el mundo. Por lo tanto, el tratamiento de las aguas residuales se está convirtiendo en un punto crítico en la gestión del agua en vista de su potencial amenaza para la salud pública, así como los problemas ambientales. En este sentido, las plantas de tratamiento de aguas residuales (EDAR) se están transformando en instalaciones de recuperación de recursos hídricos (WRRF) con el objetivo de conseguir una buena calidad de los efluentes, así como de recuperar recursos (como el carbono (C), el nitrógeno (N) y el fósforo (P)), agua y energía de forma sostenible. La eliminación biológica mejorada de fósforo (EBPR) es la forma más eficiente de eliminar el P. El nuevo paradigma de las EDAR que evolucionan hacia los WRRF intenta cambiar la eliminación de P por la recuperación de P de las aguas residuales debido a su importancia en la producción de alimentos y a los limitados depósitos de nuestro planeta. En las EDAR basadas en la EBPR, la ubicación más conocida para precipitar/recuperar el P es el digestato del proceso de tratamiento de lodos. Sin embargo, puede dar lugar a una precipitación no deseada en los reactores, los tubos y la instrumentación. Como alternativa, el reactor anaeróbico parece proporcionar un escenario ideal con una alta concentración de P: la recuperación de P en la corriente principal. La integración de la etapa A y la EBPR (A-stage-EBPR) es prometedora para la eliminación simultánea de P y DQO, así como para la recuperación de energía. La naturaleza de la fuente de carbono en el agua residual afluente juega un papel importante en el proceso EBPR. Recientes avances microbiológicos en las EDAR a escala real han mostrado una gran diversidad de PAOs putativos distintos de Accumulibacter que son seleccionados debido a la presencia de otras sustancias en el agua residual real. Es necesario mejorar las perspectivas de utilización de las diferentes fuentes de carbono. Por lo tanto, esta tesis revisa las estrategias de utilización de diferentes fuentes de carbono con especial énfasis en los productos de fermentación de los biosólidos como fuente de carbono adicional. En segundo lugar, una baja concentración de DQO es una de las principales causas del fracaso de la EBPR en las EDAR a gran escala. Se propone el fermentador de lodos lateral (SSSF) para resolver este problema introduciendo parte de los lodos residuales para su fermentación con el fin de proporcionar DQO adicional para el proceso principal, lo que no sólo ahorra el coste sino que también disminuye la huella de carbono prescindiendo de la adición de carbono externo. En el capítulo 4 se evalúan diferentes estrategias de recuperación de P, especialmente el inicio de la novedosa recuperación de P en la corriente principal. Además, se evaluó exhaustivamente el efecto de diferentes fuentes de carbono en el rendimiento de la EBPR para ir más allá del conocimiento de las fuentes de carbono comunes (acetato y propionato) y, específicamente, la viabilidad de los residuos sólidos como fuente de carbono. Se operó un sistema continuo de A/O a escala piloto (42 L) en un SRT y DO bajos para la eliminación de P con el mínimo de mineralización de carbono para la recuperación de energía (Capítulo 5). Por último, se investigó el rendimiento de la incorporación de un SSSF en una configuración de A2O (S2EBPR) bajo una condición de influente de baja DQO y se evaluaron las comunidades microbianas (Capítulo 6).

As the global demand for water grows, the amount of wastewater produced and its overall pollution load are continuously increasing worldwide. Therefore, wastewater treatment is becoming a critical point in water management in view of its potential threat to public health as well as environmental problems. In this sense, wastewater treatment plants (WWTPs) are being transformed into water resource recovery facilities (WRRFs) with the aim to achieve a good effluent quality, as well as to recover resources (such as carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P)), water and energy in a sustainable way. Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) is the most efficient way for P removal. The new paradigm in WWTP evolving to WRRF attempts to change P removal to P recovery from wastewater due to its significance on food production and the limited deposits on our planet. In EBPR-based WWTPs, the most reported location to precipitate/recover P is the digestate from the sludge treatment process. However, it can result in an undesired precipitation in reactors, tubes as well as the instrumentation. As an alternative, anaerobic reactor seems to provide an ideal scenario with high concentration of P: mainstream P-recovery. The integration of A-stage and EBPR (A-stage-EBPR) is promising for simultaneous P and COD removal as well as the energy recovery. The nature of the carbon source in the influent wastewater plays an important role in the EBPR process. Recent microbiological advances in full-scale WWTPs have shown a high diversity of putative PAO other than Accumulibacter that are selected due the presence of other substances in the real wastewater. More perspectives on the different carbon source utilization need to be improved. Therefore, this thesis reviews the utilization of different carbon sources strategies with particular emphasis on the fermentation products from biosolids as additional carbon source. Secondly, a low concentration of COD is one of the main causes for EBPR failure in full-scale WWTP. The side-stream sludge fermenter (SSSF) is proposed to solve this problem by introducing part of the waste sludge for fermentation to provide additional COD for the mainstream process, which not only saves the cost but also decreases the carbon footprint dispensed with the external carbon addition. Chapter 4 evaluates different P recovery strategies, especially the start of the art of the novel mainstream P-recovery. In addition, the effect of different carbon source on EBPR performance was comprehensively assessed to go beyond the knowledge of the common carbon sources (acetate and propionate) and specifically to the feasibility of solid waste as carbon source. A continuous pilot-scale A/O system (42 L) was operated in a low SRT and DO for P removal with the minimum of carbon mineralization for energy recovery (Chapter 5). Lastly, the performance of the incorporation of a SSSF into an A2O configuration (S2EBPR) under a low COD influent condition was investigated and the microbial communities were evaluated (Chapter 6).