Estudio técnico y biológico de un sistema MBBR con digestión bifásica en línea de fangos para la eliminación de contaminantes emergentes y control de nutrientes en aguas residuales urbanas
Metadatos
Mostrar el registro completo del ítemEditorial
Universidad de Granada
Departamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Ingeniería CivilMateria
Sistema MBBR Contaminantes emergentes Aguas residuales urbanas Nutrientes Digestión bifásica Fangos
Fecha
2021Fecha lectura
2021-01-26Referencia bibliográfica
Gallardo Altamirano, Manuel Jesús. Estudio técnico y biológico de un sistema MBBR con digestión bifásica en línea de fangos para la eliminación de contaminantes emergentes y control de nutrientes en aguas residuales urbanas. Granada: Universidad de Granada, 2021 [http://hdl.handle.net/10481/67816]
Patrocinador
Tesis Univ. Granada.; Plan Nacional del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte (MINECO-FEDER); FPI: BES-2015-073595Resumen
Durante las últimas décadas, la producción de aguas residuales ricas en nutrientes
con una amplia gama de contaminantes emergentes como son productos de cuidado
personal, fragancias sintéticas y especialmente los compuestos farmacéuticamente
activos (PhACs) ha aumentado continuamente en todo el mundo debido al crecimiento
exponencial de las poblaciones urbanas, al consumo doméstico y al crecimiento de la
producción industrial. Hoy en día, las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas
(EDARs) convencionales se enfrentan a numerosos problemas a la hora de cumplir los
estándares más estrictos en términos de vertido de nutrientes y eliminación de
contaminantes emergentes. En este sentido, el aumento de la eutrofización de las aguas
superficiales receptoras, así como la presencia continua de contaminantes orgánicos
(p.ej., PhACs) en las aguas residuales tratadas y fangos digeridos, son temas de creciente
preocupación en todo el mundo. Además, varios estudios han demostrado que los PhACs
pueden acumularse en el suelo, las aguas subterráneas y las porciones comestibles de las
plantas regadas con aguas residuales tratadas, lo que representa para el ser humano una
importante exposición a los PhACs con posibles implicaciones para la salud. Para dar
solución a estos problemas, en la presente Tesis Doctoral se ha estudiado la presencia, el
destino y la eficiencia de eliminación (RE) de 27 PhACs en una planta de tratamiento de
aguas residuales a escala piloto operada con procesos convencionales y avanzados en
diferentes fases experimentales. Esta investigación se planteó desde un punto de vista
multidisciplinar, en busca de vínculos entre la eficacia de la remoción de los PhACs, el
rendimiento de sistemas de tratamiento, los parámetros de operación, y la estructura de
las comunidades microbianas en la biomasa, tanto en la línea de agua como en la línea de
fangos de la planta piloto.
La planta piloto utilizada es una copia a escala (1:25.000) de la EDAR Murcia Este
(Murcia, España) que trata hasta 6 m3d-1 de las aguas residuales procedentes de esta
depuradora. La investigación se dividió en tres períodos experimentales (Fase I, II y III)
en la línea de aguas. En las Fases I y II se operó durante 208 días con un sistema
convencional de eliminación biológica de nutrientes en configuración A2O
(anaeróbico/anóxico/aeróbico), y con diferentes parámetros operacionales entre fases;
mientras que en la Fase III, el biorreactor A2O se transformó en un biorreactor híbrido de
lecho móvil (sistema IFAS “Integrated Fixed-Film Activated Sludge”) rellenando el 50%
de la cámara aeróbica con el soporte plástico AnoxKaldnes K5. En la línea de fangos, el
fango primario y secundario producido por la línea de aguas fue espesado y tratado por dos digestores en serie usando el sistema no convencional de digestión anaeróbica
bifásica (MAD). La digestión bifásica fue operada durante dos fases experimentales (Fase
I y II) con una duración de 104 días cada una, utilizando dos conjuntos diferentes de
tiempos de retención hidráulico (TRH) para los digestores acidogénicos (AcD) y
metanogénicos (MD) (Fase I, 2 y 12 días; y Fase II, 5 y 24 días, en AcD y MD,
respectivamente). Se realizaron análisis qPCR y de secuenciación masiva (Illumina
MiSeq) para cuantificar e investigar la estructura, diversidad y dinámica de poblaciones
de las comunidades de bacterias, arqueas y hongos en el fango activado del biorreactor
A2O y el fango digerido del AcD y MD. Se utilizaron análisis multivariantes y
coeficientes de correlación de Spearman en busca de vínculos significativos entre las REs
de los PhACs seleccionados, las abundancias de los grupos microbianos en el biorreactor
y los digestores, y los cambios de las variables ambientales/operativas de los biorreactores
A2O, A2O-IFAS y los digestores de la AcD y MD.
En la línea de agua, los resultados mostraron que el sistema A2O mejoró las REs de
materia orgánica, nutrientes y 5 PhACs cuando se operó con mayor concentración de
biomasa (MLSS) y menor F/M ratio, en la Fase II; en consecuencia, se encontraron
correlaciones positivas entre las REs de estos PhACs y varias variables
operativas/ambientales (MLSS, F/M ratio, concentración del influente N-NH4 + y tasa de
eliminación de nitrógeno total). Sin embargo, cuando el biorreactor operó con el sistema
A2O-IFAS en la Fase III, las REs de materia orgánica, nutrientes y de 8 y 5 PhACs
mejoraron significativamente en comparación con el sistema convencional A2O (Fase I y
II, respectivamente). Además, estas mejoras de rendimiento del sistema A2O-IFAS se
produjeron con un menor coste operativo. En la línea de fangos, se encontraron los rangos
de TRHs óptimos para la digestión bifásica en función de la producción de ácidos grasos
volátiles (VFA) y metano en ambos digestores; este hecho fue corroborado por las fuertes
interrelaciones encontradas entre las variables operacionales y de rendimientos, y la
abundancia relativa de grupos de bacterias y arqueas. Finalmente, la extensión del TRH
de 12 días (Fase I) a 24 días (Fase II) en la DM se vinculó significativamente con una
mejor eliminación de 7 PhACs.
Los gráficos de escalado multidimensional no métrico (MDS) y el análisis de biotaambiente
(BIO-ENV) revelaron fuertes correlaciones entre la estructura de las
comunidades de bacterias y arqueas del biorreactor A2O de la línea de aguas, y los
digestores AcD y MD de la línea fangos, con los cambios de las variables
operacionales/ambientales de cada biorreactor entre las fases experimentales, que posteriormente se correlacionaron con diferencias en las tasas de eliminación de
nutrientes en la línea de aguas y tasas de producción de biogás en la línea de fangos. El
análisis BIO-ENV y MDS también estableció sólidas interconexiones entre los REs de
11 PhACs con los cambios de las abundancias relativas de diferentes familias de bacterias
y géneros de arqueas en la línea de aguas. Del mismo modo, se detectaron correlaciones
sólidas entre los REs de 6 PhACs y las abundancias relativas de varios grupos de bacterias
y arqueas en los AcD y MD de la línea de fangos. Estas interrelaciones señalaron su
potencial relación con los procesos de biodegradación/biotransformación de estos
compuestos xenobióticos en los sistemas de tratamiento de fangos y aguas residuales
urbanas. During the last decades, the production of nutrient-rich wastewaters with a wide
range of emerging contaminants such as personal care products, ultraviolet filters,
synthetic fragrances and especially the active pharmaceutically compounds (PhACs) has
been continuously increasing worldwide due to the exponential growth of urban
populations, household consumption and industrial production. Nowadays, conventional
wastewater treatment plants (WWTPs) have demonstrated many shortcomings to face
more stringent discharge standards in terms of nutrient release and emerging
contaminants removal. In this sense, the continues presence of different trace organic
contaminants such as PhACs in treated urban wastewaters and treated sewage sludge is
an issue of growing concern worldwide. Moreover, several studies have shown that
PhACs can be accumulated into the soil, groundwaters and edible portions of plants
irrigated with treated wastewater, representing an important exposure of pharmaceutical
to humans, with potential health implications. To overcome these problems, the present
PhD Thesis has studied the occurrence, fate and removal efficiency (RE) of 27 PhACs in
a pilot-scale wastewater treatment plant operated with conventional and advanced
processes in different experimental phases. The investigation was developed under a
multidisciplinary approach, in search of interlinkages among the removal efficiencies of
PhACs, the performance of the treatment system, the changes of operational parameters,
and the shifts of the microbial communities’ structure in the sludge, in both the water line
and sludge line of the pilot-scale plant.
The pilot-scale plant is a scale-copy (1:25,000) of WWTP Murcia Este (Murcia,
Spain) and treats up to 6 m3d-1 urban wastewater from the WWTP Murcia Este. The
investigation was divided into three experimental phases (Phase I, II and III) in the water
line. Phases I and II operated 104 days each with a conventional biological nutrient
removal system (anaerobic/anoxic/aerobic, A2O), and with different operational
parameters between phases; while in Phase III, the A2O bioreactor was transformed into
a moving bed hybrid bioreactor (“integrated fixed-film activated sludge” IFAS system)
filling the aerobic chamber 50% with the carrier AnoxKaldnes K5. In the sludge line, the
primary and secondary sludge produced by the water line of the A2O system was
thickened and treated by two digesters in series using the no conventional two-stage
mesophilic digestion system (MAD). The two-stage MAD system was long-term
operated during the first two experimental phases (Phase I and II), using two different sets of hydraulic retention times (HRTs) for the acidogenic (AcD) and methanogenic
(MD) digesters (phase I, 2 and 12 days; and phase II, 5 and 24 days, in AcD and MD,
respectively). Quantitative polymerase chain reaction (qPCR) and Illumina MiSeq
sequencing analysis were used to quantify and to investigate the structure, diversity and
population dynamics of bacteria, archaea and fungi communities in the activated sludge
of the bioreactor and digested sludge of the AcD and MD. Multivariate analyses and
Spearman correlation coefficients were used in search of significant links among the REs
of the selected PhACs, the abundances of the microbial groups in the bioreactor and
digesters, and the changes of environmental/operating variables in the A2O, A2O-IFAS
bioreactors and two-stage anaerobic digesters.
In the water line, the results showed that the A2O system improved the RE of organic
matter, nutrients and 5 PhACs when the biomass concentration (MLSS) was improved
and the F/M ratio was reduced in Phase II; accordingly, positive correlations were found
among the REs of these PhACs and several operational/environmental variables (MLSS,
F/M ratio, N-NH4
+ influent concentration and total nitrogen removal rate). However,
when the pilot-scale bioreactor operated with A2O-IFAS system in the experimental
Phase III, the REs of organic matter, nutrients and especially 8 and 5 PhACs was
significantly improved compared to the A2O system (Phase I and II, respectively).
Besides, these performance improvements of the A2O-IFAS system occurred with a lower
operational cost. In the sludge line, the optimum HRT ranges for an efficient two-stage
MAD was found, based in the production of volatile free acid (VFA) and methane in both
digesters, confirmed by the strong interlinkages found among operational/performance
variables and the relative abundances of bacterial and archaeal groups. Finally, the
extension of the HRT from 12 (Phase I) to 24 days (Phase II) in the MD was significantly
linked with an improved removal of 7 PhACs.
Non-metric multidimensional scaling (MDS) plots and Biota-environment (BIOENV)
analysis revealed strong correlations between the bacteria and archaea
communities’ structure in the A2O bioreactors in the water line, and the AcD and MD in
the sludge line with the shifts of the operational/environmental variables of each
bioreactor among the experimental phases, which were subsequently correlated with
differences in the efficiency of nutrient removal in the water line and methane production
in the sludge line. The BIO-ENV and MDS analysis also established robust interlinkages
between the REs of 11 PhACs with the shifts of the relative abundances of different
families of Bacteria and genera of Archaea in the water line, while robust correlations were also detected among the REs of 6 PhACs and the relative abundances of several
bacterial and archaeal groups in the AcD and MD of the sludge line. These interlinkages
pointed out their potential involvement in the biodegradation/biotransformation of these
xenobiotics’ compounds in the wastewater and sludge treatment processes.