Novel insights to develop and characterize aerobic granular sludge for wastewater treatment

Abstract

A lama granular aeróbia (LGA) é uma nova tecnologia compacta que apresenta potencial de sustentabilidade em relação aos processos aeróbios convencionais. No entanto, o extenso período necessário para a formação dos grânulos, bem como a sua estabilidade a longo prazo, são ainda limitações para o estabelecimento mais amplo e robusto desta tecnologia. A caracterização e a avaliação de LGA tem suscitado interesse como forma de aumentar a nossa compreensão e controlo do processo. Nesta tese, métodos de análise quantitativa de imagens (AQI) foram usados para definir e quantificar as mudanças morfológicas das lamas durante o processo de granulação e avaliar a estabilidade dos grânulos sob condições operacionais específicas. Para tal, a granulação foi inicialmente monitorizada em dois reatores descontínuos sequenciais com diferentes cargas orgânicas e velocidades mínimas impostas de sedimentação da lama. Enquanto os padrões de estratificação e a morfologia dos pequenos grânulos iniciais revelaram o ponto de mudança da floculação para a granulação, a análise estatística multivariada dos dados da AQI revelou o estado de agregação das lamas e maturação dos grânulos, permitindo antecipar as propriedades de sedimentação das lamas. Além disso, uma relação complexa entre remoção de nutrientes e morfologia das lamas foi avaliada durante a granulação sob diferentes razões de carência química de oxigénio (CQO) e azoto (CQO/N), e dinâmicas de lavagem das lamas. Baixas eficiências de remoção de azoto, durante a formação dos grânulos aeróbios, favoreceram o desenvolvimento de bulking viscoso e filamentoso, o que prejudicou a granulação nos estágios iniciais do processo. A estabilidade e a atividade dos grânulos maduros, como consórcios microbianos para a bioaumentação (i.e., grânulos bioativos), foram avaliadas em sistemas de LGA apresentando baixa capacidade de remoção de nutrientes. A morfologia dos grânulos bioativos e grânulos inatos foram fundamentais para o sucesso da bioaumentação. A estabilidade das LGA é um problema limitante nestes sistemas. Portanto, a estabilidade dos grânulos maduros a longo prazo foi avaliada na presença de concentrações crescente de oleato. Os dados de AQI revelaram que a adsorção do oleato às LGA influenciou os padrões de distribuição dos grânulos, induzindo a lavagem seletiva dos grânulos menores devido à sua maior área de superfície específica. Além disso, a análise de componentes principais identificou as alterações morfológicas das LGA, induzidas pelo oleato, correlacionando-as com a diminuição do desempenho do reator. No geral, a AQI aumentou a nossa compreensão sobre a transição morfológica das lamas durante o processo de granulação, bem como a sua estabilidade sob condições operacionais definidas, destacando o potencial da AQI para monitorizar e regular sistemas de LGA.

Aerobic granular sludge (AGS) is a novel compact technology presenting sustainability potential over conventional aerobic processes. However, a long start-up for granules formation and their long-term stability are still the main issues for a wider establishment of this technology. AGS characterization and evaluation have gained attention to improve our understanding and process control. In this thesis, quantitative image analysis (QIA) methods were used to define and quantify the morphological changes of sludge during granulation processes and evaluate the stability of granules under specified operating conditions. For this purpose, granulation was initially monitored in two sequencing batch reactors (SBR) at different organic loading rates (OLR) and minimal imposed sludge settling velocities (MISSV). While the stratification patterns and the morphology of the initial small granules revealed the turning point from flocculation to granulation, multivariate statistical analysis of the QIA data revealed the sludge aggregation and granules maturation status and anticipated the sludge settling properties. Moreover, a complex relationship between nutrient removal and sludge morphology was assessed during granulation under different chemical oxygen demand (COD)-to-nitrogen ratios (COD/N) and washout dynamics. Poor nitrogen removal efficiencies during the formation of aerobic granules favoured the development of viscous and filamentous bulking, which impaired the granulation process at the early stages. The stability and activity of mature granules as bioaugmenting microbial consortia (i.e., bioactive granules) were evaluated in AGS systems exhibiting poor nutrient removal capabilities. The morphology of the bioactive granules and innate AGS were fundamental for bioaugmentation success in AGS systems. The stability of AGS is a bottleneck of AGS systems. Thus, the long-term stability of mature granules was evaluated in the presence of increasing oleate concentration. QIA data revealed that oleate adsorption onto AGS influenced granules distribution patterns, inducing selective sludge washout of small granules owing to their larger specific surface area. Moreover, principal component analysis (PCA) revealed the morphological changes of the AGS due to oleate, which were correlated with decreasing reactor performance. Overall, QIA increased our understanding of the sludge morphological transition during the granulation process, as well as their stability under defined operating conditions, highlighting the potential of QIA to monitor and regulate AGS systems.