Side-stream sludge fermenter integration for a more efficient phosphorus management in biological wastewater treatment systems

Abstract

El fòsfor (P) enfronta reptes creixents en el seu subministrament a causa de l’esgotament de les reserves de roca fosfàtica i l’augment de la població mundial. Per tant, la recuperació del 15-20 % de P present als efluents d’aigües residuals representa una via crítica cap a un subministrament sostenible d’aquest element. Aquesta tesi introdueix el sistema d’eliminació biològica millorada de fòsfor en corrent lateral (S2EBPR), que integra un fermentador de llots en corrent lateral (SSSF) en una planta pilot anaeròbia/anòxica/aeròbia (A2O) per desacoblar l’eliminació i recuperació de P. Mitjançant la desviació controlada de llots activats retornats (RAS) al SSSF i l’optimització del temps de retenció hidràulica (HRTSSSF), el sistema va generar un corrent líquid enriquit en P, n’permetent la recuperació sense comprometre el rendiment de l’EBPR.

La validació experimental va començar amb la recuperació de P en el corrent principal (Capítol 4), on l’extracció de llots activats residuals (WAS) del tanc anaerobi va incrementar significativament l’activitat dels organismes acumuladors de polifosfat (PAO). La redirecció del flux de WAS del reactor aerobi a l’anaerobi va augmentar les concentracions de P en un 27 %, acumulant fins a un 24 % del P d’entrada en el sobrenadant. La fermentació anaeròbia de WAS va assolir una alliberació elevada de P en només 3 dies (frente a 7 dies en condicions aeròbies), amb un potencial de recuperació del 51,6 %.

Al Capítol 5 es va presentar el marc innovador del S2EBPR, caracteritzat per la integració del SSSF en la configuració A2O. L’operació amb aigües residuals sintètiques i diferents HRTSSSF va mostrar una eliminació excel·lent de P/N/COD, destacant que un HRTSSSF de 2,5 dies va produir un sobrenadant amb alt contingut en P (196,5 ± 10,9 mg/L), recuperant el 40 % del P de l’efluent, un avantatge significatiu respecte als processos EBPR convencionals, on el P queda emmagatzemat en la biomassa.

El Capítol 6 va avaluar l’adaptabilitat del sistema en condicions reals durant 12 mesos, utilitzant aigües residuals municipals suplementades amb COD (0-400 mg/L). El sistema va mostrar un rendiment variable en l’eliminació de nutrients, subratllant la necessitat d’una assignació estratègica de carboni entre PAO i desnitrificadors. L’eficiència de recuperació de fòsfor (PRE) del 20-30 % demostra l’adaptabilitat del S2EBPR en diversos entorns, especialment quan és viable la suplementació amb COD.

Finalment, el Capítol 7 va investigar la integració de la recuperació biològica de P amb la precipitació química d’estruvita, el producte més desirable per les seves propietats fertilitzants d’alliberament lent i viabilitat econòmica. Experiments i models termodinàmics van confirmar una eficiència de precipitació >96 % fins i tot amb concentracions variables de calci (0-60 mg/L). La puresa de l’estruvita va oscil·lar entre 63-100 %, identificant-se com a fase cristal·lina dominant mitjançant XRD/SEM-EDS. L’impacte del Ca²⁺ es va mitigar mantenint una relació molar Ca/Mg <0,5, assegurant la formació preferent d’estruvita.

En conjunt, aquest treball demostra que el sistema S2EBPR no només compleix amb els estàndards d’eliminació de nutrients, sinó que també transforma les plantes de tractament en centres de recuperació de recursos, alineant-se amb la legislació europea i els principis d’economia circular. En concentrar el P al SSSF, el sistema ofereix un enfocament escalable i econòmicament viable per reduir la dependència de les reserves finites de roca fosfàtica i mitigar els riscos d’eutrofització.

El fósforo (P) enfrenta crecientes desafíos en su suministro debido al agotamiento de las reservas de roca fosfática y al aumento de la población mundial. En consecuencia, la recuperación del 15-20 % de P presente en las corrientes de aguas residuales representa una vía crítica hacia un suministro sostenible de este elemento. Esta tesis introduce el sistema de eliminación biológica mejorada de fósforo en corriente lateral (S2EBPR), que integra un fermentador de lodos en corriente lateral (SSSF) en una planta piloto anaerobia/anóxica/aerobia (A2O) para desacoplar la eliminación y recuperación de P. Mediante la desviación controlada de lodos activados retornados (RAS) al SSSF y la optimización del tiempo de retención hidráulica (HRTSSSF), el sistema generó una corriente líquida enriquecida en P, permitiendo su recuperación sin comprometer el rendimiento del EBPR.

La validación experimental comenzó con la recuperación de P en la corriente principal (Capítulo 4), donde la extracción de lodos activados residuales (WAS) del tanque anaerobio incrementó significativamente la actividad de los organismos acumuladores de polifosfato (PAO). La redirección del flujo de WAS del reactor aerobio al anaerobio aumentó las concentraciones de P en un 27 %, acumulando hasta un 24 % del P de entrada en el sobrenadante. La fermentación anaerobia de WAS logró una alta liberación de P en solo 3 días (frente a 7 días en condiciones aerobias), alcanzando un potencial de recuperación del 51,6 %.

En el Capítulo 5 se presentó el marco innovador del S2EBPR, caracterizado por la integración del SSSF en la configuración A2O. La operación con aguas residuales sintéticas y distintos HRTSSSF mostró una excelente eliminación de P/N/COD, destacando que un HRTSSSF de 2,5 días produjo un sobrenadante con alto contenido en P (196,5 ± 10,9 mg/L), recuperando el 40 % del P del influente, una ventaja significativa frente a los procesos EBPR convencionales, donde el P queda almacenado en la biomasa.

El Capítulo 6 evaluó la adaptabilidad del sistema en condiciones reales durante 12 meses, utilizando aguas residuales municipales suplementadas con COD (0-400 mg/L). El sistema mostró un rendimiento variable en la eliminación de nutrientes, subrayando la necesidad de una asignación estratégica de carbono entre PAO y desnitrificadores. La eficiencia de recuperación de fósforo (PRE) del 20-30 % demuestra la adaptabilidad del S2EBPR en diversos entornos, especialmente cuando es viable la suplementación con COD.

Finalmente, el Capítulo 7 investigó la integración de la recuperación biológica de P con la precipitación química de estruvita, el producto más deseable por sus propiedades fertilizantes de liberación lenta y viabilidad económica. Experimentos y modelos termodinámicos confirmaron una eficiencia de precipitación >96 % incluso con concentraciones variables de calcio (0-60 mg/L). La pureza de la estruvita osciló entre 63-100 %, identificándose como fase cristalina dominante mediante XRD/SEM-EDS. El impacto del Ca²⁺ se mitigó manteniendo una relación molar Ca/Mg <0,5, asegurando la formación preferente de estruvita.

En conjunto, este trabajo demuestra que el sistema S2EBPR no solo cumple con los estándares de eliminación de nutrientes, sino que también transforma las plantas de tratamiento en centros de recuperación de recursos, alineándose con la legislación europea y los principios de economía circular. Al concentrar el P en el SSSF, el sistema ofrece un enfoque escalable y económicamente viable para reducir la dependencia de las reservas finitas de roca fosfática y mitigar los riesgos de eutrofización.

Phosphorus (P) faces increasing supply challenge due to the depletion of phosphate rock reserves and growing global population. Consequently, the recovery of the substantial 15 - 20 % of P contained within wastewater streams represents a critical pathway towards a sustainable P supply. This thesis introduces the side-stream enhanced biological phosphorus removal (S2EBPR) system, which integrates a side-stream sludge fermenter (SSSF) into a pilot-scale anaerobic/anoxic/aerobic (A2O) plant to decouple P removal and P recovery. By diverting different portions of return activated sludge (RAS) to SSSF and optimizing hydraulic retention time within it (HRTSSSF), the system generated a concentrated P-enriched liquid stream, enabling potential P recovery while maintaining excellent EBPR performance.Experimental validation began with mainstream P recovery in the pilot-scale A2O plant (Chapter 4), where waste activated sludge (WAS) extraction from anaerobic tank was shown to significantly enhance polyphosphate accumulating organism (PAO) activity. By redirecting WAS stream from aerobic to anaerobic reactor, anaerobic P concentrations surged by 27 % and up to 24 % of input P was accumulated within the WAS supernatant. Anaerobic WAS fermentation work achieved high P release within just 3 days, halving the time required for aerobic WAS fermentation (7 days) and leading to 51.6 % recovery potential. Building on this foundation, Chapter 5 introduced the novel S2EBPR framework, characterized by a SSSF coupled with the A2O configuration. Operation of the S2EBPR system with synthetic municipal wastewater under variable HRTSSSF settings yielded exceptional P/N/COD removal. Specifically, extending the HRTSSSF to 2.5d produced a stream of high P content (196.5 ± 10.9 mg/L) from the SSSF supernatant, achieving a 40 % of P recovery from influent P. This constitutes a significant advantage over typical EBPR processes, where P is primarily stored within the biomass. Chapter 6 evaluated the adaptability of S2EBPR system under augmented real-world conditions, operating for 12 months with real municipal wastewater amended by external COD supplementation. To simulate varying carbon availability scenarios, COD was added within a range of 0 - 400 mg/L, informed by modelling based on real wastewater characteristics. The system exhibited varied nutrient removal performance with amended input COD and fluctuating influent composition, emphasizing the need of strategical carbon allocation between PAO and denitrifiers. The observed 20 - 30 % phosphorus recovery efficiency (PRE) from WAS stream out of SSSF, while modest, highlights the promising adaptability of the S2EBPR system for P recovery in diverse wastewater treatment settings, particularly when COD supplementation is feasible for practical operational constraints.Finally, Chapter 7 investigated the integration of biological P recovery with chemical precipitation and evaluated the feasibility of struvite formation from synthetic SSSF supernatant since struvite is the most desirable P recovery product due to its slow fertilization characteristics and economic viability. Batch experiments and thermodynamic modelling confirmed > 96 % P precipitation efficiency across varying calcium (Ca2+) concentrations (0 - 60 mg/L). Struvite purity ranged from 63 % (experimental acidification) to 100 % (stoichiometric Solver), with XRD and SEM-EDS analyses identifying struvite as the dominant crystalline phase. While Ca2+competed with magnesium (Mg2+) for phosphate (PO43-) binding, its impact was mitigated by maintaining a Ca/Mg molar ratio < 0.5, ensuring struvite remained the primary product. Together, this work demonstrates that the S2EBPR system not only meets stringent nutrient removal standards but also transforms wastewater treatment plants into resource recovery spots, aligning with the current EU wastewater treatment legislation and circular economy principles. By concentrating P within SSSF, the S2EBPR system offers a scalable, economically viable approach for P recovery directly from wastewater stream, thereby reducing dependence on finite phosphate rock reserves and mitigating eutrophication risks.