Investigation of key operational factors impacting phosphorus removal and recovery from wastewater treatment plants

Abstract

Nutrient and micropollutant removal, as well as resource recovery, are some of the major current concerns in the wastewater treatment field. Wastewater treatment plants (WWTPs) need solutions to quickly tackle these emerging problems and operate as sustainably as possible. Therefore, this thesis focused on providing insight into some of the major challenges in these fields, such as: i) factors influencing efficient enhanced biological phosphorus removal (EBPR) and its microbial community structure; ii) the biotransformation of an important micropollutant (diclofenac) in the EBPR process and iii) phosphorus and carbon solubilisation from WWTP sludge for resource recovery. EBPR is a complex process where specific bacteria are used for phosphorus removal from the bulk liquid. The most important polyphosphate accumulating organism (PAO) is “Candidatus Accumulibacter phosphatis”, that comprises of phylogenetically different Types, clades and subclades, whose metabolism can be influenced by specific conditions. A reactor enriched with Accumulibacter (> 85 %) was operated for over a one-year period, and identification at the sub-clade level was necessary to correlate the specific identity of the Accumulibacter group with the observed reactor performance. The carbon feeding rate proved to be crucial for the expression of different metabolisms, where a fast-feeding rate resulted in a mixed phosphate/glycogen accumulating metabolism leading to poor P removal (< 30 %) that correlated with clusters ii and iii of Accumulibacter IIc, while a slow carbon feeding rate resulted in complete phosphorus removal and an abundance of cluster i. This work showed that some organisms commonly recognised as PAO do not promote efficient phosphorus removal and there is a need to recharacterize the organisms within the Accumulibacter group. Removal of micropollutants is another emerging concern, especially since some micropollutants such as diclofenac have been shown to be near-recalcitrant in conventional WWTPs. Additionally, some physical/chemical processes have been shown to produce transformation products that are more toxic than the parent compound. Diclofenac biotransformation was investigated in the EBPR process, where the metabolic pathway and toxicity of diclofenac by-products were also assessed. Although Accumulibacter did not appear to transform diclofenac as efficiently as other bacteria (e.g., nitrifiers), it was found to still contribute towards its detoxification. Furthermore, a correlation was observed between the quantity of diclofenac biotransformation and Accumulibacter Type, which could suggest that enrichment of Type II Accumulibacter can stimulate diclofenac biodegradation in wastewater treatment. Finally, resource recovery is one of the major initiatives in the wastewater treatment field. WWTPs are no longer seen as just treatment facilities, but also present opportunities to recover other added-value products and provide more sustainable solutions. Phosphorus is an irreplaceable nutrient and a scarce resource that must be recovered from phosphorus rich waste streams. Biological acidification was tested in this study as an additional step within conventional WWTPs and was shown to have great potential to solubilise up to 80 % of phosphorus and produce on average 0.35 g CODVFA/gVS that could be used in subsequent processes for the production of phosphorus rich fertilizers or bioplastics, respectively.

Uklanjanje nutrijenata i mikropolutanata, kao i rekuperacija resursa, neki su od glavnih izazova u oblasti tretmana otpadnih voda. Postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda potrebna su rešenja za efikasno prevazilaženje novonastalih problema i uspostavljanje održivog rada postrojenja. Iz navedenih razloga, fokus doktorske disertacije usmeren je na istraživanje nekih od glavnih izazova u oblasti tretmana voda, kao što su: i) parametri koji utiču na efikasnost procesa biološkog uklanjanja fosfora i strukturu mikrobne zajednice; ii) biotransformacija značajnog mikropolutanta (diklofenaka) u procesu unapređenog biološkog uklanjanja fosfora i iii) solubilizacija fosfora i ugljenika iz mulja sa postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda u cilju rekuperacije resursa. Biološko uklanjanje fosfora je složen proces, u kome se za uklanjanje polutanta iz otpadne vode koriste specifični sojevi bakterija. Najvažniji organizam koji akumulira polifosfate (phosphate accumulating organisms - PAO) je „Candidatus Accumulibacter phosphatis“, koji se sastoji od filogenetski različitih tipova, klasa i podklasa, gde određeni uslovi mogu uticati na metabolizam specifičnih sojeva Accumulibacter. Eksperimenti u šaržnom reaktoru, sa visokim rastom Accumulibacter bakterija (> 85 %), rađeni su više od godinu dana, pri čemu je dalja identifikacija na nivou podklase bila neophodna, kako bi se povezao specifični identitet grupe Accumulibacter sa posmatranim performansama reaktora. Brzina hranjenja ugljenikom pokazala se ključnom za ekspresiju različitih metabolizama, gde je brzo hranjenje dovelo do mešovitog metabolizma usvajanja polifosfata/glikogena, rezultujući neefikasnim uklanjanjem P (< 30 %), povezanog sa klasterima ii i iii Accumulibacter IIc podklase. Sa druge strane, mala brzina hranjenja ugljenikom dovela je do tipičnog metabolizma usvajanja polifosfata, koji je rezultirao potpunom separacijom fosfora kao rezultat metaboličkih procesa najbrojnijeg prisutnog klastera (klaster i) Accumulibacter IIc podklase. Rezultati ekperimentalnog rada u okviru teze pokazali su da određeni organizmi, trenutno prepoznati kao PAO organizmi, neefikasno uklanjaju fosfor i da postoji opravdana potreba za reklasifikacijom organizama unutar grupe Accumulibacter. Uklanjanje mikropolutanta dodatni je problem u domenu savremenih tretmana voda, naročito iz razloga što su neki mikropolutanti, poput diklofenaka, veoma rezistentni na tretmane u konvencionalnim postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda. Sa druge strane, određeni fizički/hemijski procesi rezultuju generisanjem produkata koji su još toksičniji od matičnog jedinjenja. Biotransformacija diklofenaka ispitivana je simultano sa biološkim uklanjanjem fosfora i procenjen je metabolički put i toksičnost formiranih nusproizvoda diklofenaka. Iako Accumulibacter ne razlaže diklofenak tako efikasno kao neki drugi sojevi bakterija (npr. nitrifikujuće bakterije), eksperimentalno je potvrđeno da i dalje doprinosi redukciji toksičnosti, proizvodnjom nusproizvoda manje toksičnosti. Takođe, utvrđena je korelacija između količine biotransformacije diklofenaka i tipa Accumulibacter bakterija, što potencijalno ukazuje da stimulacija rasta Accumulibacter tipa II može intenzivirati biorazgradnju diklofenaka u procesima prečišćavanja otpadnih voda. Na kraju, rekuperacija resursa jedna je od prioritetnih inicijativa u oblasti prečišćavanja otpadnih voda. Postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda više se ne posmatraju samo kao postrojenja za prečišćavanje, već predstavljaju i mogućnost za rekuperaciju resursa i pružanje održivih rešenja za rad prečistača. Fosfor je nezamenljiv nutrijent i oskudan resurs koji je neophodno ponovno iskoristiti iz otpadnih tokova bogatih fosforom. Bioacidifikacija je testirana u ovoj tezi kao dodatni proces u okviru konvencionalnih postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda i pokazalo se da ima potencijal da rastvori do 80 % fosfora i proizvede 0,35 g CODVFA/g VS koji bi se mogli koristiti u kasnijim procesima za proizvodnju fosforom bogatih đubriva i bioplastike.