Evaluating the effects of aeration intermittency on treatment performance and the granule microbiome in continuous-flow aerobic granular sludge systems

Abstract

La aireación intermitente (AI) es una estrategia prometedora para mejorar el rendimiento del tratamiento y reducir el consumo energético en sistemas de lodos granulares aerobios (AGS) en flujo continuo (FC). Sin embargo, la mayoría de las investigaciones se han centrado en reactores secuenciales por lotes (SBR), existiendo datos limitados sobre sistemas FC-AGS simplificados que utilizan separadores internos sólido-líquido. Este estudio evaluó la AI en tres reactores FC-AGS con diferentes duraciones de aireación: 3 h (R1), 12 h (R2) y 21 h (R3) por día, mientras que un reactor control (R4) recibió aireación continua (24 h/día). Se evaluó la eliminación de la demanda química de oxígeno (DQO) y del nitrógeno inorgánico total (NIT), así como las propiedades de los gránulos y la composición de la comunidad microbiana. La eliminación de DQO y NIT en R1 (93 % y 42 %), R2 (95 % y 54 %) y R3 (94 % y 47 %) fue comparable a la de R4 (95 % y 52 %). No obstante, la AI mejoró la calidad de los gránulos y alteró el microbioma. El reactor R2 (12 h de aireación) mostró el mejor rendimiento, produciendo gránulos con un diámetro final de 0,9 mm, buena sedimentabilidad (índice de volumen de lodos de 74,8 mL g⁻¹) y alta concentración de exopolisacáridos tipo alginato (416,2 mgALE gTS⁻¹). Además, R2 mostró el mayor enriquecimiento de géneros bacterianos funcionales implicados en la eliminación de nitrógeno y la producción de exopolisacáridos – en particular Thauera, Pseudomonas, Acinetobacter y Zooglea – en comparación con el inóculo. Este estudio demuestra que la AI puede mejorar la eficiencia de los sistemas FC-AGS y favorecer el crecimiento de taxones microbianos clave para la eliminación completa de nitrógeno.

Intermittent aeration (IA) is a promising strategy to improve treatment performance and reduce energy consumption in continuous-flow (CF) aerobic granular sludge (AGS) systems. However, most research has focused on sequencing batch reactors (SBR), with limited data on simplified CF-AGS systems using internal solid-liquid separators. This study evaluated IA in three CF-AGS reactors with different aeration durations: 3 h (R1), 12 h (R2), and 21 h (R3) per day, while a control reactor (R4) received continuous aeration (24 h/day). The removal of chemical oxygen demand (COD) and total inorganic nitrogen (TIN), granule properties, and microbial community composition were assessed. COD and TIN removal in R1 (93 % and 42 %), R2 (95 % and 54 %), and R3 (94 % and 47 %) were comparable to R4 (95 % and 52 %). However, IA improved granule quality and altered the microbiome. Reactor R2 (12 h aeration) exhibited the best performance, producing granules with a final diameter of 0.9 mm, good settleability (sludge volume index of 74.8 mL g⁻¹), and high alginate-like exopolymers (416.2 mgALE gTS⁻¹). R2 also showed the highest enrichment of functional bacterial genera involved in nitrogen removal and exopolymer production - particularly Thauera, Pseudomonas, Acinetobacter, and Zooglea - compared to the inoculum. This study demonstrates that IA can enhance the efficiency of CF-AGS systems and promote the growth of key microbial taxa essential for complete nitrogen removal.