Estudio técnico y biológico de un sistema MBBR con digestión bifásica en línea de fangos para la eliminación de contaminantes emergentes y control de nutrientes en aguas residuales urbanas

Resumen

Durante las últimas décadas, la producción de aguas residuales ricas en nutrientes con una amplia gama de contaminantes emergentes como son productos de cuidado personal, fragancias sintéticas y especialmente los compuestos farmacéuticamente activos (PhACs) ha aumentado continuamente en todo el mundo debido al crecimiento exponencial de las poblaciones urbanas, al consumo doméstico y al crecimiento de la producción industrial. Hoy en día, las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas (EDARs) convencionales se enfrentan a numerosos problemas a la hora de cumplir los estándares más estrictos en términos de vertido de nutrientes y eliminación de contaminantes emergentes. En este sentido, el aumento de la eutrofización de las aguas superficiales receptoras, así como la presencia continua de contaminantes orgánicos (p.ej., PhACs) en las aguas residuales tratadas y fangos digeridos, son temas de creciente preocupación en todo el mundo. Además, varios estudios han demostrado que los PhACs pueden acumularse en el suelo, las aguas subterráneas y las porciones comestibles de las plantas regadas con aguas residuales tratadas, lo que representa para el ser humano una importante exposición a los PhACs con posibles implicaciones para la salud. Para dar solución a estos problemas, en la presente Tesis Doctoral se ha estudiado la presencia, el destino y la eficiencia de eliminación (RE) de 27 PhACs en una planta de tratamiento de aguas residuales a escala piloto operada con procesos convencionales y avanzados en diferentes fases experimentales. Esta investigación se planteó desde un punto de vista multidisciplinar, en busca de vínculos entre la eficacia de la remoción de los PhACs, el rendimiento de sistemas de tratamiento, los parámetros de operación, y la estructura de las comunidades microbianas en la biomasa, tanto en la línea de agua como en la línea de fangos de la planta piloto. La planta piloto utilizada es una copia a escala (1:25.000) de la EDAR Murcia Este (Murcia, España) que trata hasta 6 m3d-1 de las aguas residuales procedentes de esta depuradora. La investigación se dividió en tres períodos experimentales (Fase I, II y III) en la línea de aguas. En las Fases I y II se operó durante 208 días con un sistema convencional de eliminación biológica de nutrientes en configuración A2O (anaeróbico/anóxico/aeróbico), y con diferentes parámetros operacionales entre fases; mientras que en la Fase III, el biorreactor A2O se transformó en un biorreactor híbrido de lecho móvil (sistema IFAS “Integrated Fixed-Film Activated Sludge”) rellenando el 50% de la cámara aeróbica con el soporte plástico AnoxKaldnes K5. En la línea de fangos, el fango primario y secundario producido por la línea de aguas fue espesado y tratado por dos digestores en serie usando el sistema no convencional de digestión anaeróbica bifásica (MAD). La digestión bifásica fue operada durante dos fases experimentales (Fase I y II) con una duración de 104 días cada una, utilizando dos conjuntos diferentes de tiempos de retención hidráulico (TRH) para los digestores acidogénicos (AcD) y metanogénicos (MD) (Fase I, 2 y 12 días; y Fase II, 5 y 24 días, en AcD y MD, respectivamente). Se realizaron análisis qPCR y de secuenciación masiva (Illumina MiSeq) para cuantificar e investigar la estructura, diversidad y dinámica de poblaciones de las comunidades de bacterias, arqueas y hongos en el fango activado del biorreactor A2O y el fango digerido del AcD y MD. Se utilizaron análisis multivariantes y coeficientes de correlación de Spearman en busca de vínculos significativos entre las REs de los PhACs seleccionados, las abundancias de los grupos microbianos en el biorreactor y los digestores, y los cambios de las variables ambientales/operativas de los biorreactores A2O, A2O-IFAS y los digestores de la AcD y MD. En la línea de agua, los resultados mostraron que el sistema A2O mejoró las REs de materia orgánica, nutrientes y 5 PhACs cuando se operó con mayor concentración de biomasa (MLSS) y menor F/M ratio, en la Fase II; en consecuencia, se encontraron correlaciones positivas entre las REs de estos PhACs y varias variables operativas/ambientales (MLSS, F/M ratio, concentración del influente N-NH4 + y tasa de eliminación de nitrógeno total). Sin embargo, cuando el biorreactor operó con el sistema A2O-IFAS en la Fase III, las REs de materia orgánica, nutrientes y de 8 y 5 PhACs mejoraron significativamente en comparación con el sistema convencional A2O (Fase I y II, respectivamente). Además, estas mejoras de rendimiento del sistema A2O-IFAS se produjeron con un menor coste operativo. En la línea de fangos, se encontraron los rangos de TRHs óptimos para la digestión bifásica en función de la producción de ácidos grasos volátiles (VFA) y metano en ambos digestores; este hecho fue corroborado por las fuertes interrelaciones encontradas entre las variables operacionales y de rendimientos, y la abundancia relativa de grupos de bacterias y arqueas. Finalmente, la extensión del TRH de 12 días (Fase I) a 24 días (Fase II) en la DM se vinculó significativamente con una mejor eliminación de 7 PhACs. Los gráficos de escalado multidimensional no métrico (MDS) y el análisis de biotaambiente (BIO-ENV) revelaron fuertes correlaciones entre la estructura de las comunidades de bacterias y arqueas del biorreactor A2O de la línea de aguas, y los digestores AcD y MD de la línea fangos, con los cambios de las variables operacionales/ambientales de cada biorreactor entre las fases experimentales, que posteriormente se correlacionaron con diferencias en las tasas de eliminación de nutrientes en la línea de aguas y tasas de producción de biogás en la línea de fangos. El análisis BIO-ENV y MDS también estableció sólidas interconexiones entre los REs de 11 PhACs con los cambios de las abundancias relativas de diferentes familias de bacterias y géneros de arqueas en la línea de aguas. Del mismo modo, se detectaron correlaciones sólidas entre los REs de 6 PhACs y las abundancias relativas de varios grupos de bacterias y arqueas en los AcD y MD de la línea de fangos. Estas interrelaciones señalaron su potencial relación con los procesos de biodegradación/biotransformación de estos compuestos xenobióticos en los sistemas de tratamiento de fangos y aguas residuales urbanas.