Study and optimization of sequencing batch reactors for the biological nitrogen removal from anaerobic digestate of swine slurry.

Il settore zootecnico sta cambiando in risposta alle pressioni della globalizzazione e alla crescente domanda di prodotti alimentari di origine animale, soprattutto nei paesi in via di sviluppo. Questo implica un aumento mondiale della produzione di bestiame e di criticità nella gestione dei liquami di allevamento. Tali effluenti sono una preziosa fonte di nutrienti per il suolo, ma quando la quantità di nutrienti supera il fabbisogno del suolo stesso è necessario trattare i liquami prodotti e gestire il carico di nutrienti in eccesso. Gli effluenti di allevamento rappresentano, ormai da tempo, uno dei più significativi contributi alle fonti di azoto in Europa e, nel 1991, la Commissione delle Comunità europee ha emesso la Direttiva Nitrati per regolare l’applicazione al suolo dei liquami zootecnici e stabilire le Zone Vulnerabili ai Nitrati (ZVN). Solo recentemente (2007) l’Italia ha adottato la Direttiva europea e la sua attuazione rende necessaria la ricerca di soluzioni per il settore zootecnico. Il processo di digestione anaerobica (DA) è comunemente utilizzato per il trattamento dei liquami suinicoli ed è considerato un processo efficace e conveniente dal punto di vista energetico ed economico, ma questo processo provoca un aumento del contenuto di azoto ammoniacale nel digestato prodotto. Per affrontare queste problematiche, la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo e miglioramento di tecnologie avanzate per minimizzare l’impatto ambientale dei digestati anaerobici. Tra le tecniche disponibili, la rimozione biologica dell'azoto è affidabile e diffusa nel trattamento delle acque reflue. In questo elaborato si è scelto di implementare un processo biologico utilizzando un reattore discontinuo sequenziale (SBR), in alternativa ai tradizionali sistemi a fanghi attivi, perché gli SBR hanno una maggiore flessibilità e capacità di controllo, per una rapida risposta alle fluttuazioni delle caratteristiche delle acque reflue. In questo scenario, questa tesi analizza il confronto tra un processo tradizionale di nitrificazione-denitrificazione e un processo innovativo di nitrificazione parziale-denitritazione in un SBR su scala di laboratorio, per il trattamento di surnatanti anaerobici di liquami suinicoli, al fine di ridurre la concentrazione influente di N-NH4+ che è pari a 1.2 ± 0.3 gN/L e con un alto valore di conducibilità (15 mS/cm), dovuto alla presenza di sali come solidi disciolti. Il processo convenzionale è stato condotto in un SBR in vetro da 10L con concentrazione di ossigeno disciolto (OD) pari a 3 mgO2/L; sono stati eseguiti due periodi sperimentali con aumento dell’NLR (carico azotato) volumetrico, passando da 0.19 a 0.28 KgN/m3d. La riduzione degli ossidi di azoto è stata garantita dall’aggiunta di acido acetico, data la bassa biodegradabilità del COD influente del digestato, mantenendo il rapporto COD/N influente pari a circa 4.5. L'aumento del carico azotato volumetrico, vNLR, ha determinato una crescita della biomassa di circa il 40% per gli MLSS e circa il 50% per gli MLVSS, ma l’NLR specifico è rimasto costante. Il processo ottenuto è un trattamento convenzionale di nitrificazione/denitrificazione, con ossidazione totale dell’azoto ammoniacale a nitrato, come dimostrato dalle analisi dei cicli del reattore. Da queste analisi, sono state calcolate le costanti cinetiche del fango attivo: l’AUR (velocità dell’utilizzo dell’ammoniaca) specifico è pari a 6.5 mgN-NH4 gVSS-1 h-1, mentre il NUR (velocità di assorbimento dell’azoto) specifico è 7.5 mgN-NO3 gVSS-1 h-1, dimostrando che la biomassa ha buone proprietà di rimozione completa dell’azoto. I bilanci di materia calcolati dimostrano la buona performance del processo: l'efficienza media di rimozione del COD è del 40% e per il fosforo è del 25%; l'efficienza di rimozione dell’azoto è elevata, fino a valori del 100% per l’azoto denitrificato e > 98% per l’azoto nitrificato. Questa tesi, inoltre, descrive lo studio del controllo di processo real-time tramite uso di parametri indiretti quali OD, potenziale di ossido-riduzione (ORP), pH e conducibilità. Monitorando i parametri di controllo è possibile determinare i punti di termine delle reazioni di nitrificazione-denitrificazione. Per quanto riguarda l’SBR studiato, il profilo dell’ORP è risultato adatto al controllo in fase anossica, attraverso la comparsa dell'indicatore chiamato “ginocchio dei nitrati” ovvero quando termina la reazione di denitrificazione. Questo indicatore è stato trovato nel 75% dei cicli analizzati. In fase ossidativa, la fine dell’ N-NH4+ risulta nella "valle di ammoniaca" nel profilo del segnale del pH e " gomito dell’ossigeno" nel profilo dell’ossigeno disciolto. La frequenza di comparsa di questi indicatori è del 75%. Per quanto riguarda la conducibilità, nel 90% dei cicli si è assistito ad una variazione di tendenza della conducibilità ed è stato calcolato il rapporto incrementale ΔCond/ΔN-NH4+ pari a 17 mScm-1/(gN-NH4+L-1) nella prima parte della fase ossica, mentre nella seconda parte è pari a 9.5 mScm-1/(gN-NH4+L-1) e alla fine della nitrificazione è prossimo allo zero. Nella seconda parte della tesi, viene descritta l’ottimizzazione di un processo avanzato: in ambiente microaerofilo (OD=0.3 mgO2/L) è stato condotto un processo di nitrificazione parziale (PN) in un SBR in plexiglass da 25L, grazie al metabolismo degli AOB (batteri ossidanti l’ammoniaca) che hanno maggiore affinità per l'ossigeno rispetto agli NOB (batteri ossidanti il nitrito), inibiti in presenza di basse concentrazioni di ossigeno disciolto. In questo modo, il processo viene arrestato a nitrito, con risparmio di fornitura d’aria e riduzione del dosaggio di carbonio esterno. Durante lo start-up del processo si è assistito alla granulazione del fango attivo con contemporanea presenza di frazione flocculare: il processo ibrido minimizza l’allontanamento della biomassa AOB e permette di operare a basse concentrazioni di OD e inibire l'ossidazione dei nitriti. Dopo l’avviamento dell’SBR, il reattore è stato condotto aumentando l’NLR volumetrico da 0.01 a 0.08 kgN/m3d, in sei periodi sperimentali. La reazione di denitritazione è stata garantita dal dosaggio di acido acetico come fonte esterna di carbonio. Il processo di nitritazione/denitritazione è stato eseguito per oltre 300 giorni. Tramite le analisi del ciclo effettuate si sono misurati valori di AUR specifico deboli rispetto al processo convenzionale, con un valore medio di 1.5 mgN-NH4 gVSS-1 h-1, mentre la denitritazione è garantita da un rapporto medio COD/N con acetato di 3.5 e raggiunge valori di NUR specifico fino a 28±3.7 mgN-NO2 gVSS-1 h-1. L’efficienza di rimozione del COD è pari al 40% e per il fosforo pari al 50%; riguardo la rimozione dell'azoto, l'efficienza raggiunge valori del 97% sia per l’azoto nitrificato sia per quello denitrificato. La concentrazione di nitrito rappresenta fino al 98% degli N-NOX prodotti, nonostante in un run sperimentale si è assistito alla riattivazione degli NOB, dovuta ad un prolungato tempo di aerazione e ad una diminuzione della concentrazione di N-NH4+ influente. Ciò ha confermato che gli NOB erano inattivati dalle condizioni di processo ma non allontanati fisicamente dal reattore. I segnali online analizzati hanno individuato il ginocchio dei nitriti nei profili dell’ORP nel 70% dei cicli, l’aumento dell’OD e la valle dell’ammoniaca nel segnale del pH nel 70% e 60% dei cicli, rispettivamente. Il rapporto incrementale ΔCond/ΔN-NH4 + misurato, in questo caso, è pari a 3.6 ± 1.6 mScm-1/(gN-NH4+L-1). Infine, le analisi di biologia molecolare effettuate (PCR-DGGE e FISH) hanno dimostrato che nel digestato suinicolo sono presenti batteri coinvolti nel processo di digestione anaerobica e nel metabolismo ossidativo degli steroli e che sia nel processo convenzionale sia in quello avanzato la biomassa denitrificante è predominante, mentre nella comunità batterica del processo di nitritazione parziale è stata dimostrata la presenza attiva di batteri AOB.Livestock sector is rapidly changing in response to pressures from globalization and growing demand for meat products, especially in developing countries. This implies a world-wide increase of livestock production and critical manure management. Livestock manure is a valuable source of nutrients for crops and can improve soil productivity, but when nutrients content exceeds the amount that can be used for land fertilization it is necessary to treat the produced manure and manage nutrient surplus load. Besides, ammonia emission in atmosphere from zootechnical farms is an emergent environmental problem that will be taken into account in next years. Livestock effluents represent one of the most significant contributions to nitrogen sources in Europe and, in 1991, the Commission of the European Communities published the Nitrates Directive to regulate the land application of livestock effluents and establish the Nitrate Vulnerable Zones –NVZ. Anaerobic digestion (AD) process is commonly used to treat swine slurries and it is considered a successful and convenient treatment, particularly from the energetic and economic point of view, but this process causes increase in ammonia nitrogen content in the produced digestate. In order to deal with these issues, research is focused on finding and improving advanced technologies to minimize the environmental impacts of digestates. Among the different available techniques, biological nitrogen removal is particularly reliable and diffuse in wastewater treatment; for this reason, in the proposed thesis we chose to put in practice a biological process using a Sequencing Batch Reactor (SBR), that is an alternative technology to conventional activated sludge systems. The SBRs have a higher flexibility and controllability, allowing for more rapid adjustment to changing wastewater characteristics. Lower investment and recurrent cost are necessary because secondary settling tanks and sludge return systems are not required. In this scenario, this thesis analyzes the comparison between a conventional nitrification-denitrification process and an innovative partial nitrification-denitritation treatment in a bench-scale SBR, for management of anaerobic supernatant of swine slurry. Special attention was given to biological nitrogen removal, in order to reduce an influent ammonia concentration of 1.2±0.3 gN/L and a high conductivity content (about 15 mS/cm), due to the elevate salts presence as dissolved solids (average concentrations: 3.5 ± 0.8 g/L, more than 50% of total solids content). The conventional process was conducted in a 10L-glass SBR with dissolved oxygen (DO) concentration of 3 mgO2/L, in two experimental runs with volumetric NLR (Nitrogen Loading Rate) increase, 0.19 and 0.28 KgN/m3d, respectively. The N-NOX reduction was provided by acetic acid addition, since the low biodegradability of influent COD from the digestate, keeping the influent COD/N ratio about 4.5. The vNLR increase determined a biomass growth in terms of suspended solids amount in the mixed liquor of about 40% of MLSS and about 50% of MLVSS, but the specific NLR remained constant for both periods. The process we obtained was a conventional nitrification/denitrification reaction, with total oxidation of ammonia nitrogen to nitrate, as demonstrated by cycle analyses measuring N forms and online signal trends. From these cycle analyses, the sludge kinetic constants were calculated: the sAUR (specific Ammonia Utilization Rate) was 6.5 mgN-NH4 gVSS-1 h-1, while the sNUR (specific Nitrogen Uptake Rate) measured 7.5 mgN-NO3 gVSS-1 h-1, demonstrating that the active biomass had got good proprieties of removing completely ammonia nitrogen in nitrate form and reducing it in the anoxic phase. The mass balances demonstrated the good results of the process in terms of removal efficiencies of nutrients: the averaged COD removal efficiency was 40% and for phosphorous was 25%; as regards nitrogen removal, the efficiency was very high up to values of 100 % for the denitrified N and >98% for nitrified N. Besides, this thesis describes the study and the development of a real-time control system using indirect parameters that are directly connected to biological reaction in the SBR: DO, oxidation reduction potential (ORP), pH and conductivity. By monitoring the control parameters, it is possible to determine the termination points of the nitrification/denitrification reaction. As regards the SBR studied, the ORP profile was more suitable for the anoxic phase control, with the nitrate knee indicator that is the point where the nitrates end in the denitrification reaction. This indicator point was found in 75% of analyzed cycles. In the oxic phase, the ammonia termination was detected by the “ammonia valley” in pH trends and “DO elbow” in DO profiles. The appearance frequency of these indicators was 75%. An interesting result was given by the conductivity signal: in 90% of analyzed cycles we assisted to a variation in conductivity trend and we calculated the incremental ratio ΔCond/ΔN-NH4+: it was about 17 mScm-1/(gN-NH4+L-1)in the first part of oxic phase, while in the second part it was about 9.5 mScm-1/(gN-NH4+L-1) and approximately zero at the end of nitrification. In the second part of the thesis, the achievement of an advanced process for nitrogen removal is described. In a microaerophilic environment (DO=0.3 mgO2/L) partial nitrification (PN) occurred in a 25L-plexiglass SBR, due to AOB (Ammonia Oxidizer Bacteria) higher affinity for oxygen than NOB (Nitrite Oxidizer Bacteria), that are inhibited at low oxygen concentration. In this way, the ammonia oxidation process stopped to N-NO2 with air supply saving and external carbon reduction for denitritation. During the start-up of the process we assisted to sludge granulation together with floccular fraction: the hybrid process maximize the hold-up of AOB operating at low DO concentrations and inhibiting nitrite oxidation. After the SBR start-up, the reactor was conducted increasing the vNLR from 0.01 to 0.08 kgN/m3d, in six experimental runs to evaluate the process performance. The process was conducted with dosage of acetic acid as external carbon source. The PN was performed for more than 300 days performing cycle analyses to measure the biomass kinetics and evaluate the online signals trends. At lower DO concentrations, the measured sAUR values were weak, with an average value of 1.5 mgN-NH4 gVSS-1 h-1, while the denitritation process was guaranteed by an average COD/N ratio with acetic acid of 3.5 and gave high sNUR values, up to 28±3.7 mgN-NO2 gVSS-1 h-1. With specific reference to nutrients removal performances, the averaged COD removal efficiency was 40% and for phosphorous was 50%; as regards nitrogen removal, the efficiency was very high up to values of 97% for nitrified and denitrified N. The nitrite concentration represented up to 98% of the N-NOX formed within the process, while in one run we assisted to the reactivation of NOB activity due to long aeration time and a decrease of influent ammonia concentration. This confirmed that NOB were only inactivated by operational conditions and not washed-out. Also in PN process, the online signals were analyzed to find process control indicators: the nitrite knee in the ORP profile had 70% of positives during anoxic phase; in microaerobic phase DO increase and ammonia valley from pH signals had appearance frequencies of 70% and 60%, respectively. The incremental ratio ΔCond/ΔN-NH4+ measured was 3.6±1.6 mScm-1/(gN-NH4+L-1). Finally, the molecular biology analyses performed (PCR-DGGE and FISH) demonstrated that, in piggery digestate, anaerobic digestion bacteria and sterols oxidizer microorganisms were present; both in conventional and advanced process the denitrifying biomass was predominant and, in PN bacterial community, AOB bacteria were present and active