Autotrophic biological nitrogen removal in a two-stage system at mainstream conditions

Resumo

Nowadays urban wastewater treatment plants (WWTPs) are widely implemented over the industrialized world since urban wastewater treatment is needed before the discharge of the wastewater into the environment. In conventional activated sludge systems, nitrogen compounds are biologically removed through autotrophic nitrification and heterotrophic denitrification, with a good effluent quality. Nevertheless, this conventional treatment requires a lot of energy due to the aeration needed for the nitrification and uses a significant part of the organic matter for denitrification instead of being used for biogas production. Therefore, the new challenge for urban WWTPs is to achieve an energy sustainable and self-sufficient facility maintaining the effluent quality levels or even improving it compared to current conventional activated sludge systems. For achieving an energy-neutral or even energy-positive urban WWTP the implementation of autotrophic biological nitrogen removal (BNR) in the mainstream has been proposed. Hence, the urban wastewater treatment would consist of a first step (A-Stage), where all the organic matter is removed and derived to biogas production, and a second step (B-Stage), where the nitrogen is removed through the autotrophic BNR process. Autotrophic BNR is a two-step process. First, half of the ammonium contained in the wastewater is oxidized to nitrite under aerobic conditions in a process called partial nitritation (PN); and secondly, the rest of the ammonium and nitrite generated are directly converted to dinitrogen gas through the anammox process without the need of oxygen and organic matter. Autotrophic BNR has been successfully applied for treating some industrial wastewaters and reject water from digested sludge (high-strength and warm wastewaters). However, autotrophic BNR has never been applied in the mainstream of urban WWTPs (low-strength and cold wastewaters) since the mainstream conditions are more disadvantageous for the autotrophic BNR process. So far researchers have focused on developing autotrophic BNR process in one-stage systems, where the whole process takes place in one single reactor. However, in most cases PN fails in the long-term operation and destabilization of the anammox process eventually occurs; and even those systems which succeed on achieving stable operation showed low nitrogen conversion rates. Hence, in this thesis, a two-stage system is proposed as an alternative for a better implementation of autotrophic BNR in the mainstream of an urban WWTP. Thus, the thesis aimed at demonstrating the stability of PN and anammox processes in two separated reactors treating wastewater at mainstream conditions. Firstly, a granular sludge airlift reactor where ammonium was partially oxidized to nitrite was successfully operated in continuous mode. A synthetic influent mimicking the effluent of the A-Stage was treated at temperatures as low as 10 °C. Not only a stable operation was achieved in the long-term operation, but also high nitrification rates and a suitable effluent for a subsequent anammox reactor were achieved. In addition, nitrous oxide (N2O) gas emissions were determined in the granular sludge airlift reactor and, furthermore, a medium-term study to assess if there was an impact of the temperature on N2O emissions associated to the partial nitritation process was performed. Secondly, an Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor where the anammox process took place was successfully operated in continuous mode at mainstream conditions. On one hand, the feasibility of using an UASB reactor to implement the anammox process at mainstream conditions was demonstrated by achieving high nitrogen removal rates and high nitrogen removal efficiencies at 26 °C treating a synthetic influent. In addition, an in depth study of the effect of the upflow velocity on the performance of the anammox UASB reactor was done. Furthermore, an exhaustive study of the effect of decreasing temperature on anammox activity was performed and an adaptation of anammox bacteria after long-term operation at low temperatures was observed. On the other hand, a successful long-term operation of the UASB reactor treating a real urban wastewater was achieved at high nitrogen removal rates and a temperature as low as 11 °C. Moreover, a detailed study of the biomass developed in the above-mentioned reactors from the microbiological, kinetic and physicochemical points of view, was performed with the objective of correlate such characteristics to the operation of the reactors performing PN and anammox processes at mainstream conditions. This thesis demonstrated the feasibility of implementing the autotrophic BNR process as a two-stage system for the nitrogen removal at mainstream conditions at lab-scale, however further research should be performed focused on the treatment of real influents at pilot-scale level. Hoy en día, las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) urbanas están ampliamente implantadas en los países industrializados, puesto que antes de verter las aguas residuales al medioambiente se les debe realizar un tratamiento. En los sistemas de tratamiento convencionales de lodos activos, los compuestos nitrogenados se eliminan mediante un tratamiento biológico de nitrificación autotrófica y desnitrificación heterotrófica, que garantiza una buena calidad del efluente. No obstante, estos tratamientos convencionales presentan un gran consumo energético debido a la gran necesidad de aireación para la nitrificación y a que la mayoría de la materia orgánica presente en el agua residual se destina a la desnitrificación en lugar de ser utilizada para la producción de biogás. Por lo tanto, las EDAR urbanas son instalaciones que presentan un gran consumo energético y, puesto que la calidad del efluente está garantizada, el principal reto en la actualidad es conseguir una depuradora urbana autosostenible energéticamente que mantenga la calidad del efluente e incluso la mejore. En este sentido, una alternativa para conseguir una EDAR urbana autosuficiente energéticamente es la implementación de la eliminación biológica autotrófica de nitrógeno en la línea principal de aguas. Este tratamiento constaría de una primera etapa (A-Stage) en la cual se eliminaría toda la materia orgánica destinándola a la producción de biogás, y una segunda etapa (B-Stage) en la que se eliminaría el nitrógeno mediante el proceso de eliminación autotrófica. La eliminación autotrófica de nitrógeno es un proceso en dos etapas. Primero, la mitad del amonio presente en el agua residual se oxida a nitrito en condiciones aerobias mediante un proceso conocido como nitritación parcial; y a continuación el amonio restante y el nitrito generado se convierten en nitrógeno gas mediante el proceso anammox, el cual no necesita ni oxígeno ni materia orgánica. La eliminación autotrófica de nitrógeno se ha implementado en el tratamiento de aguas con altas cargas de nitrógeno y temperaturas cálidas, pero nunca se ha aplicado en el tratamiento de aguas residuales urbanas (bajas cargas y temperaturas) debido a que las condiciones de estas últimas no son favorables para los procesos de nitritación parcial y anammox. Hasta ahora, la investigación se ha centrado en el desarrollo del proceso de eliminación autotrófica de nitrógeno en una etapa, que consiste en llevar a cabo todo el proceso en un único reactor. Sin embargo, en la mayoría de los estudios publicados con sistemas en una etapa el proceso de nitritación parcial falla en la operación a largo plazo bajo condiciones de agua urbana; e incluso aquellos sistemas con una operación estable alcanzan bajas velocidades de eliminación de nitrógeno. Por lo tanto, en esta tesis se propuso la utilización de un sistema en dos etapas como alternativa para una mejor implementación del proceso de eliminación autotrófica de nitrógeno en la línea principal de aguas de una EDAR urbana. Así, el principal objetivo de la tesis fue demostrar la estabilidad de los dos procesos implicados, nitritación parcial y anammox, en dos reactores independientes que operasen tratando un agua residual urbana. En primer lugar se operó en continuo un reactor tipo airlift con biomasa granular tratando un influente sintético que simulaba el efluente de la etapa A-Stage. Se trabajó a una temperatura baja, de hasta 10 °C, y no solo se consiguió una operación estable a largo plazo sino que se obtuvieron altas velocidades de nitritación y un efluente adecuado para un siguiente reactor anammox. Además, se determinaron las emisiones de óxido nitroso (N2O) producidas en el reactor y se realizó un estudio sobre el impacto que ejerce la temperatura de operación del reactor sobre las emisiones asociadas al proceso de nitritación parcial. En segundo lugar se operó en continuo un reactor UASB (del inglés Upflow Anaerobic Sludge Blanket) realizando, satisfactoriamente, el proceso anammox a largo plazo. Por una parte, se concluyó que el uso de un reactor UASB es una buena alternativa para llevar a cabo el proceso anammox en la línea principal de aguas de la depuradora ya que se consiguió una operación estable con altas eficacias de eliminación de nitrógeno a altas velocidades de eliminación a 26 °C tratando un influente sintético. Además se realizó un estudio detallado del efecto que tiene la velocidad ascensional sobre el desarrollo del proceso anammox en el reactor. Asimismo, se realizó un estudio exhaustivo sobre el efecto del descenso de la temperatura en la actividad anammox y se observó que las bacterias anammox sufren una adaptación a las bajas temperaturas después de ser sometidas a éstas durante un largo período de tiempo. Por otra parte, a la hora de tratar un agua residual urbana real, el reactor anammox no sólo mostró una operación estable a largo plazo, sino que también se consiguieron altas velocidades de eliminación de nitrógeno a una temperatura de 11 °C. Además, se realizó un estudio detallado de la biomasa desarrollada en ambos reactores desde el punto de vista microbiológico, cinético y físico-químico, con el objetivo de relacionar estas características con la operación de los reactores. Esta tesis demuestra que la implementación de un sistema en dos etapas para llevar a cabo la eliminación autotrófica de nitrógeno en la línea principal de aguas de una EDAR urbana es factible a escala laboratorio. Sin embargo, todavía se necesita una mayor labor de investigación centrada principalmente en la implementación de dicho proceso a escala piloto tratando influentes reales.