Towards energy neutral WWTPs: piloting mainstream partial nitritation AGS and anammox

Abstract

ENG- Wastewater treatment plants (WWTPs) play a crucial role in safeguarding public health by treating wastewater before discharge into the environment. However, conventional facilities consume substantial amounts of energy to power the treatment processes. According to estimates, wastewater treatment accounts for about 3% of the total electricity consumption worldwide, with significant associated greenhouse gas emissions and operational costs. To address these challenges, WWTPs are adopting energy-efficient technologies and using renewable energy sources such as the biogas produced by the anaerobic digestion (AD) of the sludge. However, WWTPs are still energy-demanding facilities and new process configurations are being studied to achieve more operational self-sufficiency and sustainability. In this context, this thesis addresses a new configuration in the mainstream line of the WWTP aiming to maximize the energy recovery with biogas while minimizing the energy consumption of the process. Such configuration is based on a first high-rate activated sludge (HRAS) reactor followed by a two-stage autotrophic nitrogen (N) removal. In the HRAS reactor, organic matter is redirected to the sludge line to maximize the biogas production trough AD, while, in the proposed two-stage autotrophic N removal, a first partial nitritation (PN)-aerobic granular sludge (AGS, PN-AGS) reactor is followed by anaerobic ammonium oxidation (anammox). Compared with conventional biological N removal, the oxygen requirement can be lowered by 63% and the organic carbon consumption for denitrification by up to 100%. A lab-scale AGS reactor was used, while a pilot plant of the hole proposed configuration was designed, constructed and operated in La Garriga WWTP to test the technology. Only real wastewater was used. The objectives of the thesis were, first, to develop a robust and replicable operational strategy to achieve aerobic granulation by treating HRAS effluent. Second, to adapt the AGS process to achieve PN, producing a suitable effluent with NO2- and NH4+ to feed the final anammox process. Thereafter, to study the performance of the final anammox process when the AGS is stably operated aiming to PN, and, finally, to quantify the energy consumption and recovery of the new treatment configuration vs. the conventional La Garriga WWTP, assessing the energetic viability of the new technology. In the AGS reactor, a selective wasting from the top of the settled sludge bed was found to be a successful strategy to effectively trigger the formation and establishment of aerobic granules in the system. However, full granulation was not seen as crucial to the proper performance of the AGS reactor. The maintenance of a low solids volumetric index (SVI < 100 mL/g) with a mixture of granules and flocs was helpful enough for an improved operation with high organic matter removal and nitratation repression. Stable PN was achieved under mainstream conditions by treating real HRAS effluent. Nitrite oxidizing bacteria (NOB) activity was successfully repressed by the free nitrous acid (FNA) produced in the reactor. In the anammox reactor, an effluent with a suitable quality (i.e., total nitrogen, TN, < 8 mg/L) could be achieved in the reactor by controlling the previous PN conversion at NO2-/NH4+ ratios lower (0.80 g N/g N) than the theoretical 1.32 g N/g N, which implies a lower oxygen requirement. Finally, according to the energy balance, estimated energy savings (kWh/m3) of 44 % could be reached by applying the HRAS + PN-AGS + anammox configuration

CAT- Les estacions depuradores d’aigües residuals (EDARs) tenen un rol crucial en protegir la salut pública tractant l’aigua residual abans d’abocar-la al medi ambient. Tanmateix, les plantes de tractament convencionals consumeixen substancials quantitats d’energia per abastar el procés. D’acord amb estimacions, el tractament de l’aigua residual representa un 3% del total del consum elèctric global, amb gasos d’efecte hivernacle i costos de tractament associats. Per afrontar aquests reptes, les EDARs estan adoptant tecnologies més eficients i utilitzant fonts d’energia renovables, com el biogàs produït en la digestió anaeròbia (AD) dels fangs. Tot i així, les EDARs encara tenen un consum net important d’electricitat i s’estan estudiant nous processos per aconseguir més eficiència i sostenibilitat en el tractament. Aquesta tesi aborda una nova configuració a la línia d’aigua d’una EDAR amb l’objectiu de maximitzar la recuperació d’energia amb biogàs i minimitzar el consum energètic del tractament. Aquesta configuració es basa en un primer reactor de fangs actius d’alta càrrega (HRAS) seguit d’una eliminació autòtrofa del nitrogen (N) en dues etapes. Al reactor HRAS, la matèria orgànica de l’aigua d'entrada es redirigeix a la línia de fangs per a maximitzar la producció de biogàs amb AD. A l’eliminació autòtrofa del N proposada, primer s’implementa un reactor de biomassa aeròbia granular (AGS) adaptat a la nitritació parcial (PN, PN-AGS) i seguidament un reactor anammox. En comparació amb l’eliminació biològica del N convencional, el requeriment d’oxigen pot reduir-se fins a un 63% i el consum de matèria orgànica per la desnitrificació fins a un 100%. S’ha utilitzat un reactor AGS de laboratori i s'ha dissenyat, construït i operat una planta pilot a l’EDAR de la Garriga per a provar la tota nova configuració proposada. Únicament s’ha fet servir aigua residual real de l’EDAR. Els objectius de la tesi eren, primer, desenvolupar una estratègia robusta i replicable per aconseguir AGS tractant la sortida d’un HRAS. Segon, adaptar el procés AGS per aconseguir PN, produint un efluent amb NO2- i NH4+ per alimentar el final anammox. Seguidament, estudiar el comportament del final procés anammox quan l’AGS està adaptat a la PN de forma estable i, finalment, quantificar el consum energètic i el potencial de recuperació d’energia de la nova configuració vs. l’EDAR de La Garriga, abordant la viabilitat energètica de la nova tecnologia. Al reactor AGS, una purga selectiva de dalt del llit de fangs decantats va demostrar ser una estratègia exitosa per sostenir la formació de grànuls aerobis al sistema. Tanmateix, una completa granulació de la biomassa no va ser crucial per al correcte funcionament del reactor. Mantenir una bona decantabilitat (SVI, < 100 mL/g) amb una barreja de grànuls i flocs va demostrar ser suficient per eliminar la matèria orgànica i reprimir la formació de NO3-. Es va aconseguir una PN estable a la línia d’aigua tractant l’efluent d’un HRAS. Es va reprimir l’activitat dels bacteris nitrit-oxidants (NOB) gràcies a la producció d’àcid nitrós lliure (FNA) al reactor. Al reactor anammox, es va aconseguir un efluent amb una qualitat adequada (i.e., TN < 8 mg/L) controlant la conversió de la prèvia PN a ratios NO2-/NH4+ inferiors (0.8 g N/g N) del teòric 1.32 g N/g N, implicant un requeriment d’oxigen inferior. Finalment, d’acord amb el balanç energètic, es podria assolir un 44% d’estalvi energètic (kWh/m3) aplicant la nova configuració basada en HRAS + PN-AGS + anammox