Autotrophic biological nitrogen removal in a two-stage system at mainstream conditions

Actualmente las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) urbanas están ampliamente implantadas en los países industrializados, puesto que es necesario realizar un tratamiento de las aguas residuales antes de verterlas al medioambiente. En los sistemas de tratamiento convencionales, los compuestos nitrogenados se eliminan mediante un tratamiento biológico de nitrificación autotrófica y desnitrificación heterotrófica, que garantiza una buena calidad del efluente. En estos tratamientos se necesita gran cantidad de aireación para la nitrificación y la mayoría de la materia orgánica del agua residual se destina a la desnitrificación en lugar de a la producción de biogás. Por tanto, las EDAR urbanas presentan un gran consumo energético y el principal reto en la actualidad es conseguir una depuradora urbana autosuficiente energéticamente. Una alternativa para conseguirlo es la implementación de la eliminación biológica autotrófica de nitrógeno (BNR) en la línea principal de aguas. El tratamiento consistiría en una primera etapa (A-Stage) en la cual se eliminaría toda la materia orgánica destinándola a la producción de biogás, y una segunda etapa (B-Stage) en la que se eliminaría el nitrógeno mediante el proceso BNR. El proceso BNR es un proceso en dos etapas. Primero, la mitad del amonio presente en el agua residual se oxida a nitrito mediante el proceso de nitritación parcial (PN), y a continuación el amonio restante y el nitrito generado se convierten en N2 mediante el proceso anammox, sin necesidad de oxígeno ni materia orgánica. El proceso BNR se ha aplicado al tratamiento de aguas con altas cargas de nitrógeno y temperaturas cálidas, pero nunca se ha implementado en el tratamiento de aguas residuales urbanas (bajas cargas y temperaturas). Recientemente, la investigación se ha centrado en el desarrollo del proceso BNR en un único reactor. Sin embargo, muchos de los estudios publicados mostraron el fallo del proceso PN en la operación a largo plazo al tratar agua urbana, e incluso aquellos sistemas con una operación estable alcanzaron bajas velocidades de eliminación de nitrógeno. En esta tesis se propuso la utilización de un sistema en dos etapas como alternativa para una mejor implementación del proceso BNR en la línea principal de aguas de una EDAR urbana. Así, el principal objetivo fue demostrar la estabilidad de los dos procesos implicados, PN y anammox, en dos reactores independientes tratando un agua residual urbana. En primer lugar se operó en continuo un reactor airlift con biomasa granular tratando un influente sintético que simulaba el efluente de la etapa A-Stage. Se trabajó a bajas temperaturas (hasta los 10 °C) y no solo se consiguió una operación estable a largo plazo sino que se obtuvieron altas velocidades de nitrificación y un efluente adecuado para un reactor anammox contiguo. Además, se determinaron las emisiones de N2O producidas en el reactor y se realizó un estudio del efecto de la temperatura sobre éstas. En segundo lugar se operó en continuo un reactor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) realizando el proceso anammox a largo plazo. Por una parte, se presentó el reactor UASB como una buena alternativa para realizar el proceso anammox en la línea principal de aguas de la depuradora. Además se realizó un estudio exhaustivo del efecto de la velocidad ascensional en el reactor y del efecto de la baja temperatura en la actividad anammox. Por otra parte, el reactor UASB anammox no sólo mostró una operación estable a largo plazo tratando un agua residual urbana real, sino que también se alcanzaron altas velocidades de eliminación de nitrógeno a una temperatura de 11 °C. Conjuntamente, se realizó un estudio detallado de la biomasa desarrollada en ambos reactores desde los puntos de vista microbiológico, cinético y físico-químico, con el objetivo de relacionar estas características con la operación.Urban wastewater treatment plants (WWTPs) are widely implemented over the industrialized world since urban wastewater treatment is needed before the discharge of the wastewater into the environment. In conventional activated sludge systems, nitrogen compounds are biologically removed through autotrophic nitrification and heterotrophic denitrification with a good effluent quality. Nevertheless, such treatment requires a lot of energy due to the aeration needed for nitrification and uses most of the organic matter for denitrification instead of producing biogas. For achieving an energy-neutral or even energy-positive urban WWTP the implementation of autotrophic biological nitrogen removal (BNR) in the mainstream has been proposed. Hence, the urban wastewater treatment would consist of a first step (A-Stage), where all the organic matter is removed and derived to biogas production, and a second step (B-Stage), where the nitrogen is removed through the autotrophic BNR process. Autotrophic BNR is a two-step process. First, half of the ammonium contained in the wastewater is oxidized to nitrite under aerobic conditions in a process called partial nitritation (PN); and secondly, the rest of the ammonium and nitrite generated are converted to dinitrogen gas through the anammox process without the need of oxygen and organic matter. Autotrophic BNR has been successfully applied for treating some industrial wastewaters and reject water from digested sludge (high-strength and warm wastewaters). However, it has never been applied in the mainstream of an urban WWTP (low-strength and cold wastewater) since mainstream conditions are more disadvantageous for the process. So far researchers have focused on implementing the autotrophic BNR in one-stage systems, where the whole process takes place in one single reactor. However, in most cases PN fails in the long-term operation and destabilization of the anammox process eventually occurs; even those systems which succeed on achieving stable operation showed low nitrogen conversion rates. Here, a two-stage system is proposed as an alternative for a better implementation of autotrophic BNR in the mainstream of an urban WWTP. Thus, the thesis aimed at demonstrating the stability of PN and anammox processes in two separated reactors treating wastewater at mainstream conditions. Firstly, a granular sludge airlift reactor performing the PN process was successfully operated in continuous mode. A synthetic influent mimicking the effluent of the A-Stage was treated at temperatures as low as 10 °C. Not only stable operation was achieved in the long-term operation, but also high nitrification rates and a suitable effluent for a subsequent anammox reactor. Moreover, N2O gas emissions were determined in the reactor and, furthermore, a medium-term study to assess the temperature effect on the N2O emissions associated to the PN process was performed. Secondly, an Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor performing the anammox process was successfully operated in continuous mode at mainstream conditions. On one hand, the feasibility of using an UASB reactor to implement the anammox process at mainstream conditions was demonstrated by achieving high nitrogen removal rates and high nitrogen removal efficiencies at 26 °C treating a synthetic influent. In addition, an in depth study of the effect of the upflow velocity on the performance of the anammox UASB reactor was done. Furthermore, an exhaustive study of the effect of decreasing temperature on anammox activity was performed and an adaptation of anammox bacteria after long-term operation at low temperatures was observed. On the other hand, a successful long-term operation of the anammox reactor treating a real urban wastewater was achieved at high nitrogen removal rates and a temperature as low as 11 °C. Moreover, a detailed study of the biomass developed in the above-mentioned reactors from the microbiological, kinetic and physicochemical points of view, was performed aiming at correlating such characteristics to the reactor's operation at mainstream conditions