Achieving activated sludge granulation and evaluating the performance of anaerobic-anoxic SBR

Aerobic Granular Sludge (AGS) technology is recognized as a significant breakthrough in wastewater (WW) treatment and is globally recognized as one of the most promising biological treatment processes in the 21st century. AGS process allows the simultaneous removal of carbon (C), nitrogen (N), and phosphorus (P) in a single reactor. Its high efficiency is due to the development of granular microbial aggregates that enable the cultivation of slow-growing communities like nitrifiers, heterotrophic bacteria, polyphosphate-accumulating organisms (PAOs), and glycogen-accumulating organisms (GAOs). PAOs play a crucial role in P removal as they store P intracellularly in the form of polyphosphate, allowing treated effluent water to meet strict P discharge standards. Moreover, polyphosphate can be recovered through appropriate methods, helping to address the global scarcity of this critical nutrient. This study investigates an anaerobic-anoxic sequencing batch reactor (SBR) system using sodium acetate as sole C source and nitrate as oxidant compound. The reactor operates in 4-hour cycles, composed of a 90-minute anaerobic phase followed by a 150-minute anoxic phase, with biomass fast settling and plug flow feeding. The granulation process inside the reactor promoted the aggregation of flocculant activated sludge into dense and structured granules, which facilitates pollutant removal through spatially distinct metabolic activities within the granules. Experimental results demonstrated the effective removal of organic pollutants, P, and N-NO3-. Although microbial species analysis was not carried out, the observed P release and C uptake dynamics indicate PAOs activity, with an average P release to C uptake ratio of 0.2 mol P/mol C. Additionally, the system exhibited excellent sludge settleability and minimal solid discharge, producing a high-quality effluent. These findings highlight the potential of the anaerobic-anoxic granular sludge process as a sustainable solution for advanced wastewater treatment, primarily given the lack of aeration requirements, and supports nutrient recovery.

Il fango aerobico granulate (AGS) è una tecnologia riconosciuta come un importante progresso nel trattamento delle acque reflue (WW) ed è considerata a livello globale uno dei processi biologici di trattamento più promettenti del XXI secolo. Il processo AGS consente la rimozione simultanea di carbonio (C), azoto (N) e fosforo (P) in un singolo reattore. La sua elevata efficienza è dovuta allo sviluppo di aggregati microbici granulari che favoriscono la crescità di comunità a lenta replicazione, come nitrificanti, batteri eterotrofi, organismi fosforo-accumulanti (PAOs) e organismi glicogeno-accumulanti (GAOs). I PAOs svolgono un ruolo fondamentale nella rimozione del P, poiché immagazzinano P intracellularmente sotto forma di polifosfato, consentendo all'effluente di rispettare i rigorosi standard di scarico del P. Inoltre, il polifosfato può essere recuperato attraverso specifici metodi, contribuendo a rispondere alla scarsità globale di questo nutriente fondamentale. Questo valuta il funzionamento di un sistema a reattore sequenziale anaerobico-anossico (SBR) che utilizza acetato di sodio come unica fonte di C e nitrato come composto ossidante. Il reattore lavora con cicli di 4 ore, composti da una fase anaerobica di 90 minuti seguita da una fase anossica di 150 minuti, con sedimentazione rapida della biomassa e alimentazione plug flow. Il processo di granulazione all'interno del reattore ha favorito l'aggregazione del fango attivo fioccoso in granuli densi e strutturati, facilitando la rimozione degli inquinanti attraverso attività metaboliche spazialmente distinte all'interno dei granuli. I risultati sperimentali hanno dimostrato un’efficace rimozione di inquinanti organici, P e N-NO₃⁻. Sebbene non sia stata effettuata un'analisi delle specie microbiche coltivate, le dinamiche di rilascio di P e di assimilazione di C osservate indicano una attività da parte dei PAOs, con un rapporto medio di rilascio di P rispetto all'assorbimento di C pari a 0,2 mol P/mol C. Inoltre, il sistema ha mostrato un’eccellente sedimentabilità del fango e un minimo scarico di solidi, producendo un effluente di alta qualità. Questi risultati evidenziano il potenziale del processo anaerobico-anossico con fango granulare come soluzione sostenibile per il trattamento avanzato delle acque reflue, soprattutto grazie alla mancanza di requisiti di aerazione, e supportano il recupero dei nutrienti.