Development of a new generation of continuous-flow aerobic granular sludge bioreactors for urban wastewater treatment: technical and biological study

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.

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.