Eliminación de Nitratos de las Aguas Subterráneas utilizando la tecnología Aeróbica Granular Secuencial

Abstract

The dependence on groundwater for human consumption has increased worldwide over the last 50 years. Among the nutrient pollutants of concern, nitrate (NO3 -) often reaches groundwater and causes significant degradation in groundwater quality. This dependence on groundwater has become even more important in the Mediterranean region due to increased desertification and global warming. In countries such as in Spain, 70% of the water resource demands of cities with less than 20000 inhabitants are supplied by groundwater. The mail goal of our experimental work was development a new biological technology based on aerobic granular systems. In this sense, a full-scale water treatment plant using aerobic granular sludge (AGS) was built to remove NO3 - from nitratepolluted groundwater intended for human consumption, in order to achieve a complete nitrate removal with low economic cost and minimizing the environmental impact. First of all (Chapter 1), four granular sequencing batch reactors (GSBRs) at lab-scale were inoculated with four denitrifying Pseudomonas strains carrying nosZ to study the process of granule formation, the operational conditions of the bioreactors, and the carbon concentration needed for nitrate removal. The selected Pseudomonas strains were P. stutzeri I1, P. fluorescens 376, P. denitrificans Z1, and P. fluorescens PSC26, previously reported as denitrifying microorganisms carrying the nosZ gene. Pseudomonas denitrificans Z1 produced fluffy, low-density granules, with a decantation speed below 10 m h−1. However, P. fluorescens PSC26, P. stutzeri I1, and P. fluorescens 376 formed stable granules, with mean size from 7 to 15 mm, related to the strain and carbon concentration. P. stutzeri I1 and P. fluorescens 376 removed nitrates efficiently with a ratio in the range of 96%, depending on the source and concentration of organic matter. Therefore, the findings suggest that the inoculation of GSBR systems with denitrifying strains of Pseudomonas spp. containing the nosZ gene enables the formation of stable granules, the efficient removal of nitrate, and the transformation of nitrate into nitrogen gas, a result of considerable environmental interest to avoid the generation of nitrous oxide. In a second group of experiments (Chapter 2) a bioreactor was designed as a cylindrical sequential batch reactor (SBR), with a height of 3.52 m and a diameter of 0.49 m. The reactor was inoculated with 6 L of mature granules previously formed at lab-scale in the Water Research Institute (University of Granada) with a total volume of 660 L. In this research, a novel modification of aerobic granular sludge technology was developed for the treatment of nitrate-polluted groundwater, adding very low concentrations of a solution based on carbon and oligoelements in the groundwater to promote the growth of denitrifying microorganisms, avoiding expensive technologies to supply drinking water in small urban nuclei. The denitrification process was successfully reached at 0.15 g C2H3NaO2 L−1, meeting the Nitrate Directive of Europe for drinking water. The granular biomass was compact and dense with average values of mean size and settling velocity of 4.0 mm and 40 mh−1, respectively. The prokaryotic and eukaryotic communities were studied by massive parallel sequencing techniques. The dominant prokaryotic phylotypes were related to influent composition, belonging to Comamonadaceae, Rhizobiales, Acinetobacter and Pseudomonas. The dominant eukaryotic phylotype was affiliated to Haematococcus microalgae. The diversity and evenness were high, regardless of influent composition. This study demonstrates support for the innovation of aerobic granular sludge technology application in terms of performance, operation, granular maturation and stability, as well as the role of denitrifying microorganisms to implement a low-cost, easy-to-use and maintain, environmental-friendly drinking water technology for rural populations. Finally, in a third group of experiments (Chapter 3) a full-scale water treatment plant using aerobic granular sludge (AGS) technology was built, under real conditions, to remove NO3 - from nitrate-polluted groundwater intended for human consumption in village Torre Cardela (Granada) in the South of Spain. The impact of changes in the operational conditions of hydraulic retention time (HRT) and organic matter loading (OML) rate on NO3 - removal and overall system performance were examined. Variations in the abundance of the denitrification genes and the diversity and composition of the prokaryotic and eukaryotic communities in the granule microbiome were studied. Regardless of the HRT, the AGS technology was successful in removing NO3 - with removal rates greater than 50% with an optimal OML rate of 75 mg L-1. Regardless of the HRT and OML rate, the organic matter removal rate was greater than 90%. No significant changes in the abundance of denitrification genes were detected during the experimental period. However, the composition of prokaryotic and eukaryotic communities was affected by changes in the HRT and OML rate. Specific prokaryotic taxa were identified as responsive to changes in operational parameters and their relative abundances were strongly linked to the removal of NO3 -, confirming that the microbes are critical to the NO3 - removal process. The results obtained in this experimental work clearly demonstrate that the AGS technology can be successfully implemented to treat nitrate-polluted groundwater in rural villages to produce water of drinking quality.

La dependencia de las aguas subterráneas para el consumo humano ha aumentado en todo el mundo en los últimos 50 años. Entre los nutrientes contaminantes preocupantes, el nitrato (NO3 -) llega a menudo a las aguas subterráneas y provoca una degradación significativa de su calidad. Esta dependencia de las aguas subterráneas se ha hecho aún más importante en la región mediterránea debido al aumento de la desertificación y al calentamiento global. En países como España, el 70% de la demanda de recursos hídricos de las ciudades de menos de 20000 habitantes se abastece de aguas subterráneas. El objetivo principal de nuestro trabajo experimental fue el desarrollo de una nueva tecnología biológica basada en sistemas granulares aerobios. En este sentido, se construyó una planta de tratamiento de agua a escala real utilizando lodos granulares aerobios (AGS) para eliminar NO3 - de aguas subterráneas contaminadas con nitratos y destinadas al consumo humano, con el fin de conseguir una eliminación completa de nitratos con un bajo coste económico y minimizando el impacto ambiental. En primer lugar (Capítulo 1), se inocularon cuatro reactores discontinuos secuenciales granulares (GSBR) a escala de laboratorio con cuatro cepas de Pseudomonas desnitrificantes portadoras de nosZ para estudiar el proceso de formación de gránulos, las condiciones operativas de los biorreactores y la concentración de carbono necesaria para la eliminación de nitratos. Las cepas de Pseudomonas seleccionadas fueron P. stutzeri I1, P. fluorescens 376, P. denitrificans Z1, y P. fluorescens PSC26, previamente reportadas como microorganismos desnitrificantes portadores del gen nosZ. Pseudomonas denitrificans Z1 produjo gránulos esponjosos y de baja densidad, con una velocidad de decantación inferior a 10 m h-1. Sin embargo, P. fluorescens PSC26, P. stutzeri I1 y P. fluorescens 376 formaron gránulos estables, con un tamaño medio de 7 a 15 mm, relacionado con la cepa y la concentración de carbono. P. stutzeri I1 y P. fluorescens 376 eliminaron nitrato eficientemente con una proporción en el rango del 96%, dependiendo de la fuente y concentración de materia orgánica. Por tanto, los resultados sugieren que la inoculación de sistemas GSBR con cepas desnitrificantes de Pseudomonas spp. que contienen el gen nosZ permite la formación de gránulos estables, la eliminación eficiente de nitrato y la transformación de nitrato en nitrógeno gas, un resultado de considerable interés medioambiental para evitar la generación de óxido nitroso. En un segundo grupo de experimentos (Capítulo 2) se diseñó un biorreactor en forma de reactor secuencial (SBR) cilíndrico, con una altura de 3,52 m y un diámetro de 0,49 m. El reactor se inoculó con 6 L de gránulos maduros previamente formados a escala de laboratorio en el Instituto de Investigación del Agua (Universidad de Granada) con un volumen total de 660 L. En esta investigación se desarrolló una novedosa modificación de la tecnología de lodos granulares aerobios para el tratamiento de aguas subterráneas contaminadas con nitratos, añadiendo concentraciones muy bajas de una solución a base de carbono y oligoelementos en las aguas subterráneas para promover el crecimiento de microorganismos desnitrificantes, evitando costosas tecnologías de abastecimiento de agua potable en pequeños núcleos urbanos. El proceso de desnitrificación se alcanzó con éxito a 0,15 g C2H3NaO2 L-1, cumpliendo la Directiva Europea de Nitratos para agua potable. La biomasa granular era compacta y densa, con valores medios de tamaño medio y velocidad de sedimentación de 4,0 mm y 40 mh-1, respectivamente. Las comunidades procariota y eucariota se estudiaron mediante técnicas de secuenciación masiva en paralelo. Los filotipos procarióticos dominantes estaban relacionados con la composición del influente y pertenecían a Comamonadaceae, Rhizobiales, Acinetobacter y Pseudomonas. El filotipo eucariota dominante estaba relacionado con las microalgas Haematococcus. La diversidad y la uniformidad fueron elevadas, independientemente de la composición del influente. Este estudio demuestra el apoyo a la innovación de la aplicación de la tecnología de lodos granulares aerobios en términos de rendimiento, funcionamiento, maduración granular y estabilidad, así como el papel de los microorganismos desnitrificantes para implementar una tecnología de agua potable de bajo coste, fácil de usar y mantener, y respetuosa con el medio ambiente para las poblaciones rurales. Por último, en un tercer grupo de experimentos (Capítulo 3) se construyó, en condiciones reales, una planta de tratamiento de aguas a escala real utilizando la tecnología de lodos granulares aerobios (AGS) para eliminar NO3 - de aguas subterráneas contaminadas con nitratos y destinadas al consumo humano en el municipio de Torre Cardela (Granada), en el sur de España. Se examinó el impacto de los cambios en las condiciones operativas del tiempo de retención hidráulica (TRH) y la tasa de carga de materia orgánica (OML) sobre la eliminación de NO3 - y el rendimiento global del sistema. Se estudiaron las variaciones en la abundancia de los genes de desnitrificación y la diversidad y composición de las comunidades procariotas y eucariotas en el microbioma de los gránulos. Independientemente del TRH, la tecnología AGS tuvo éxito en la eliminación de NO3 - con tasas de eliminación superiores al 50% con una tasa óptima de OML de 75 mg L-1. Independientemente del TRH y de la tasa de OML, la tasa de eliminación de materia orgánica fue superior al 90%. No se detectaron cambios significativos en la abundancia de genes de desnitrificación durante el periodo experimental. Sin embargo, la composición de las comunidades procariotas y eucariotas se vio afectada por los cambios en el TRH y la tasa de OML. Se identificaron taxones procarióticos específicos que respondían a los cambios en los parámetros operativos y sus abundancias relativas estaban fuertemente relacionadas con la eliminación de NO3 -, lo que confirma que los microbios son fundamentales para el proceso de eliminación de NO3 -. Los resultados obtenidos en este trabajo experimental demuestran claramente que la tecnología AGS puede aplicarse con éxito para tratar aguas subterráneas contaminadas por nitratos en aldeas rurales para producir agua de calidad potable.