@misc{10481/103590,
year = {2025},
url = {https://hdl.handle.net/10481/103590},
abstract = {In accordance with Sustainable Development Goal 6: clean water and sanitation,
wastewater treatment technologies must be at the forefront in minimizing the impact of
used water on both human and environmental health. Under this perspective, aerobic
granular sludge (AGS) technology represents an excellent option for wastewater
treatment due to its low area requirements, pollutants removal capacity and resilience
under diverse conditions.
Traditionally, AGS systems have been operated in sequential batch reactors, with
the aim of exerting a selection pressure able to retain granular biomass and wash out light
flocs. However, the scientific community has focused on developing continuous-flow
reactors (CFRs) to facilitate operation and maintenance while treating larger wastewater
volume in a practical mode. The challenge of CFRs resides in retaining dense granular
biomass within the bioreactor and washing out filamentous flocs in concordance with
continuous-flow mode.
Trying to address this challenge, several authors have designed diverse AGS-CFR
configurations, but they have complex designs and operation, hindering their
implementation at full scale. Thus, a simpler and functional CFR design was still required.
Within this Ph.D. thesis, four single-chamber CFRs were developed and assessed
at lab scale. After their evaluation, the most suitable configuration was selected for further
research. Posteriorly, this novel design was operated under different organic loading rates
(OLRs) and hydraulic retention times (HRTs), with the aim to elucidate its treatment
capacity and observe its physicochemical and microbial response under different
operational conditions.
In detail, chapter 1 describes the four novel CFRs configurations. All designs
were based on a single column with an element to prevent granule loss and enhance
withdrawal of flocs. Bioreactor 1 had a settler-baffle before the water output which
prevented dense biomass to reach the output due to the height and the curved
configuration. Bioreactor 2 had a longitudinal plate which divided the reactor in two parts
and caused difference of pressure, creating a circular movement which enhanced dense
biomass to descend to the bottom and avoid the water output. Bioreactors 3 and 4 had a longitudinal tube in eccentric and concentric position, respectively. The difference of
pressure in and out the tube should force granules to go down and prevent granule loss
while promoting flocs washout. Results showed that bioreactor 1 promoted a rapid
biomass adaptation and a fast start-up (11 days). Additionally, the novel configuration
was able to select and retain stable granules with high compaction, achieving settling
velocities above 100 m·h-1. Furthermore, this bioreactor had excellent organic matter
removal (reaching 95 %). For these reasons, this CFR design was selected for further
research, in order to determine its operational capacity.
Chapter 2 assessed the selected design for a wide range of OLR. This
configuration was operated under different OLRs (0.45, 0.90, 1.40 and 1.85 kg COD·m-
3·d-1). The results revealed that this single-chamber CFR was able to operate across a
broad range of OLRs (0.45 to 1.85 kg COD·m-3·d-1) in urban wastewater. Bioreactors
were able to adjust the biomass concentration in function of the OLR, achieving organic
matter removal ratios above 80 % for all OLR tested. Results suggested that changes in
influent did not compromise the stability of granules. Furthermore, the selection of
microbial community depended on the OLR, with lower diverse granules at higher OLRs.
In this sense, OLRs in the range of 0.45 to 0.90 kg COD·m-3·d-1 favoured the OPB56
order and the Rhodobacteraceae and Rhizobiaceae families. On the other hand, the
Spirosomaceae family and the Pseudomonas genus were enhanced at OLRs from 1.40 to
1.85 kg COD·m-3·d-1. Hypocreales order acquired an important role in mature granules
of all bioreactors.
In chapter 3, four bioreactors with the selected configuration were operated at
HRTs from 2 to 8 hours. Results showed that 2 hours of HRT promoted an excessive
granular sludge production, damaging the hydrodynamic movement in the system, and
the continuous withdrawal of granules hindered its physicochemical removal
performance. However, HRTs from 4 to 8 hours achieved a high organic pollutants
removal. It suggests that this bioreactor is able to treat large wastewater volume in short
times, being 4 hours the most cost-effective HRT in terms of organic matter removal.
Nutrient removal was enhanced by the longest HRT (6 and 8 hours), although the optimal
conditions for nutrient removal have not yet been achieved. HRT modulated the microbial
community, although some taxa such as Hypocreales, Spirosomaceae and Brevundimonas
were ubiquitous in all conditions. The presence of the Chitinophagaceae family was enhanced at HRT from 4 to 8 hours. The shortest HRTs promoted deeper changes in
microbial dynamics.
Briefly, this Ph.D. thesis developed a novel single-chamber AGS-CFR
configuration. This bioreactor has an effective selection pressure for keeping dense
granules and high biomass retention within it, even at very short HRTs and without the
need of feast-famine regime. It achieves a fast start-up and is able to treat a wide range of
OLRs, maintaining long-term granular stability and achieving more than 80% of organic
matter removal. Additionally, it can be operated at different HRT, being 4 h the most costeffective
in terms of removal performance and granular stability. The developed design
during this Ph. D. thesis, characterised by a simple single-chamber configuration,
eliminated the need for biomass recirculation and complex control. For these reasons, this
advantageable design is suitable for full-scale implementation.},
abstract = {De acuerdo con el Objetivo de Desarrollo Sostenible 6: agua limpia y
saneamiento, las tecnologías de tratamiento de aguas residuales deben estar a la
vanguardia para minimizar el impacto del agua usada en la salud humana y
medioambiental. Bajo esta perspectiva, la tecnología de fango granular aeróbico (FGA)
representa una excelente opción para el tratamiento de aguas residuales debido a sus bajos
requerimientos de área, capacidad de eliminación de contaminantes y resiliencia bajo
diversas condiciones.
Tradicionalmente, los sistemas FGA han sido operados en reactores secuenciales
discontinuos, con el objetivo de ejercer una presión de selección capaz de retener la
biomasa granular y lavar los flóculos ligeros. Sin embargo, la comunidad científica se ha
centrado en el desarrollo de reactores de flujo continuo (RFC) para facilitar el
funcionamiento y mantenimiento al tiempo que se trata de forma práctica un volumen
mayor de agua residual. El reto de los RFC reside en retener la biomasa granular densa
dentro del biorreactor y lavar los flóculos filamentosos en consonancia con el modo de
flujo continuo.
Tratando de abordar este reto, varios autores han diseñado diversas
configuraciones de FGA-RFC, pero su diseño y funcionamiento son complejos, lo que
dificulta su aplicación a escala real. Así pues, seguía siendo necesario un diseño de RFC
más sencillo y funcional.
En esta tesis doctoral se desarrollaron y evaluaron cuatro RFC de una sola cámara
a escala de laboratorio. Tras su evaluación, se seleccionó la configuración más adecuada
con el objetivo de seguir investigando sobre ella. Posteriormente, este novedoso diseño
fue operado bajo diferentes cargas orgánicas y tiempos de retención hidráulico (TRH),
con el objetivo de esclarecer su capacidad de tratamiento y observar su respuesta
fisicoquímica y microbiológica bajo diferentes condiciones operativas.
En detalle, el capítulo 1 describe las cuatro novedosas configuraciones de RFC.
Todos los diseños estaban basados en una única columna con un elemento para evitar la
pérdida de gránulos y mejorar la eliminación de flóculos. El biorreactor 1 tenía un
deflector-decantador antes de la salida del agua que impedía que la biomasa densa llegara a la salida debido a la altura y al diseño curvo. El biorreactor 2 tenía una placa longitudinal
que dividía el reactor en dos partes y provocaba una diferencia de presión, creando un
movimiento circular que favorecía que la biomasa densa descendiera hacia el fondo y así
evitara la salida del agua. Los biorreactores 3 y 4 tenían un tubo longitudinal en posición
excéntrica y concéntrica, respectivamente. La diferencia de presión dentro y fuera del
tubo debería obligar a los gránulos a descender y evitar la pérdida de biomasa densa, al
tiempo que favorecía el lavado de los flóculos. Los resultados mostraron que el
biorreactor 1 promovió una rápida adaptación de la biomasa y una rápida puesta en
marcha (11 días). Además, la novedosa configuración fue capaz de seleccionar y retener
gránulos estables con alto grado de compactación, alcanzando velocidades de
sedimentación superiores a 100 m·h-1. Asimismo, este biorreactor tuvo una excelente
eliminación de materia orgánica (alcanzando el 95 %). Por estas razones, este diseño de
RFC fue seleccionado para futuras investigaciones, con el fin de determinar su capacidad
operativa.
En el capítulo 2 se evaluó el diseño seleccionado en un amplio rango de carga
orgánica. Esta configuración fue operada bajo diferentes cargas orgánicas (0,45, 0,90,
1,40 y 1,85 kg DQO·m-3·d-1). Los resultados revelaron que este RFC de cámara única fue
capaz de operar en un amplio rango de carga orgánica (de 0,45 a 1,85 kg DQO·m-3·d-1)
en aguas residuales urbanas. Los biorreactores fueron capaces de ajustar la concentración
de biomasa en función de la carga orgánica, alcanzando ratios de eliminación de materia
orgánica superiores al 80 % para todas las cargas orgánicas probadas. Los resultados
sugirieron que los cambios en el influente no comprometieron la estabilidad de los
gránulos. Además, la selección de la comunidad microbiana dependió de la carga
orgánica, con gránulos menos diversos a cargas orgánicas más altas. En este sentido, las
cargas orgánicas en el rango de 0,45 a 0,90 kg DQO·m-3·d-1 favorecieron al orden OPB56
y las familias Rhodobacteraceae y Rhizobiaceae. Por otro lado, la familia Spirosomaceae
y el género Pseudomonas se vieron favorecidos por cargas orgánicas desde 1.40 a 1.85
kg DQO·m-3·d-1. El orden Hypocreales adquirió un papel importante en los gránulos
maduros de todos los biorreactores.
En el capítulo 3, cuatro biorreactores con la configuración seleccionada fueron
operados con TRH de 2 a 8 horas. Los resultados mostraron que 2 horas de TRH
promovieron una producción excesiva de fango granular, dañando el movimiento
hidrodinámico del sistema, además, la continua retirada de gránulos dificultó su rendimiento de eliminación fisicoquímico. Sin embargo, los TRH de 4 a 8 horas
consiguieron una elevada eliminación de contaminantes orgánicos. Esto sugiere que este
biorreactor es capaz de tratar grandes volúmenes de agua residual en tiempos cortos,
siendo 4 horas el TRH más rentable en términos de eliminación de materia orgánica. La
eliminación de nutrientes mejoró a TRH más largos (6 y 8 horas), aunque no se alcanzaron
las condiciones óptimas para la eliminación de nutrientes. El TRH moduló la comunidad
microbiana, aunque algunos taxones como Hypocreales, Spirosomaceae y
Brevundimonas fueron ubicuos en todas las condiciones. La presencia de la familia
Chitinophagaceae aumentó con TRH de 4 a 8 horas. Los TRH más cortos promovieron
cambios más profundos en la dinámica microbiana.
Resumiendo, esta tesis doctoral desarrolló una novedosa configuración FGA-RFC de una
sola cámara. Este biorreactor tiene una presión de selección efectiva para mantener
gránulos densos y una alta retención de biomasa en su interior, incluso a TRH muy cortos
y sin necesidad de un régimen de “festín y hambruna”. El diseño consigue una rápida
puesta en marcha y es capaz de tratar un amplio rango de carga orgánica, manteniendo la
estabilidad granular a largo plazo y consiguiendo más de un 80 % de eliminación de
materia orgánica. Además, puede ser operado a diferentes TRH, siendo 4 h el más rentable
en términos de rendimiento de eliminación y estabilidad granular. El diseño desarrollado
durante esta tesis doctoral, caracterizado por una configuración simple de una sola
cámara, eliminó la necesidad de recirculación de biomasa y de un control complejo. Por
estas razones, este ventajoso diseño es adecuado para su aplicación a escala real.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
organization = {Proyecto de la Junta de Andalucía y Fondos FEDER “Desarrollo de una nueva generación de biorreactores granulares aeróbicos con flujo continuo para el tratamiento de aguas residuales urbanas: estudio técnico y biológico (DEFLAGUA)”, con referencia B-RNM-137-UGR18},
organization = {Grupo de investigación RNM-270 de Microbiología y Tecnología Ambiental de la Universidad de Granada},
organization = {Contratos predoctorales de Formación de Profesorado Universitario del Ministerio de Universidades con referencia FPU19/05029},
publisher = {Universidad de Granada},
title = {Development of a new generation of continuous-flow aerobic granular sludge bioreactors for urban wastewater treatment: technical and biological study},
author = {Rosa Masegosa, Aurora},
}