Towards scaling-up of an anoxic granular sludge variant: system evaluation from synthetic to real wastewater feed

The revised EU Urban Wastewater Directive enforces stricter discharge limits for nitrogen (N) and phosphorus (P), increasing the demand for cost-effective and energy-efficient treatment technologies. A novel bi-stage Anoxic Granular Sludge (AnoxGS) system has been developed to overcome the cost limitations of conventional activated sludge (AS) by eliminating aeration, reducing operational complexity, and minimizing sludge production. Unlike previous granular sludge systems, this configuration integrates sequential anaerobic and anoxic phases to enhance simultaneous NO3- and PO4- removal. Previous studies have demonstrated the effectiveness of this system when treating synthetic wastewater (SWW). However, transitioning to real municipal wastewater (RWW) presents additional challenges, including a more complex composition, influent variability and microbial competition. To bridge this transition and facilitate microbial adaptation, an intermediate step was introduced: this research specifically focuses on evaluating AnoxGS performance under RWW conditions with the controlled addition of volatile fatty acids (VFAs). The study examines three operational conditions: (i) SWW treatment, (ii) RWW treatment with 20\% volumetric exchange ratio (VER), (iii) RWW treatment with 40\% VER. Biweekly monitoring was conducted to assess pollutant removal trends, microbial activity, and key reactor processes. Despite the operational complexities of RWW, the system exhibited remarkable resilience, maintaining microbial functionality even under prolonged low-carbon conditions and extremely low volumetric loading rates (VLR). Notably, biological activity promptly resumed upon an increase of the daily VER, demonstrating rapid adaptability. Results confirm that VFA availability is a key determinant of pollutant removal efficiency, highlighting the importance of carbon source management in optimizing AnoxGS performance. Under a C/N ratio of 2 with a sufficient VFAs component, NO3- and PO4- removal lead to promising results in achieving values below the regulatory limits. This research validates AnoxGS as a robust, low-energy alternative for real wastewater treatment, emphasizing the importance of a controlled transition strategy when shifting from SWW to RWW. The findings provide key insights into the feasibility of AnoxGS under real-world conditions and highlight the need for further studies on long-term reactor stability, granule integrity, and full-scale implementation.

La revisione della Direttiva Europea sulle Acque Reflue Urbane impone limiti più restrittivi per lo scarico dei nutrienti, rendendo necessarie soluzioni più efficienti ed economicamente sostenibili per la rimozione dell’azoto (N) e del fosforo (P). Le tecnologie a fanghi granulari rappresentano un'alternativa promettente ai sistemi convenzionali a fanghi attivi (AS), offrendo vantaggi in termini di riduzione dello spazio e dei costi operativi. Tra queste, la configurazione innovativa del sistema Anoxic Granular Sludge (AnoxGS) elimina la necessità di aerazione, riducendo il consumo energetico e semplificando le operazioni, con un basso rendimento in termini di produzione di fanghi. Questo studio valuta le prestazioni di un reattore bi-stadio AnoxGS per la rimozione simultanea di NO3- e PO4-, sperimentando il passaggio da acque reflue sintetiche (SWW) a acque reflue municipali reali (RWW) con supplementazione di acidi grassi volatili (VFA). L'approccio adottato prevede un passaggio intermedio nel quale il reattore è testato con RWW e aggiunta di VFA per supportare l’adattamento microbico, mantenere l’efficienza del trattamento e superare le difficoltà legate alla bassa concentrazione di carbonio organico biodegradabile nel refluo reale. Il sistema è stato analizzato in tre condizioni di alimentazione: (i) trattamento con SWW, (ii) trattamento con RWW con un rapporto di scambio volumetrico (VER) del 20\%, e (iii) trattamento con RWW con un VER del 40\%. Il monitoraggio del reattore e della stabilità del processo è stato effettuato tramite analisi bisettimanali. I risultati sperimentali dimostrano che la transizione da SWW a RWW introduce sfide operative, in particolare per la presenza di COD particolato (pCOD), la variabilità dell’influent e la competizione microbica. Tuttavia, il sistema AnoxGS ha mostrato notevole resilienza, mantenendo l'attività biologica funzionale anche in condizioni di scarsità di carbonio e bassissimi carichi volumetrici . Inoltre, l’attività biologica è ripresa rapidamente non appena il carbonio esterno è stato reintrodotto, confermando la robustezza e adattabilità del sistema. Lo studio evidenzia che, con un rapporto C/N pari a 2 e un'adeguata integrazione di VFA, il sistema può raggiungere elevate efficienze di rimozione di NO3- e PO4-, avvicinandosi ai limiti di scarico normativi. Tuttavia, ulteriori studi sono necessari per valutare la stabilità del reattore a lungo termine, l’integrità dei granuli e la scalabilità del processo. Questa ricerca approfondisce la comprensione dei sistemi AnoxGS nel trattamento delle acque reflue municipali reali, evidenziandone l’adattabilità e l’efficienza in combinazione con fonti di carbonio esterne. I risultati confermano che una transizione controllata da SWW a RWW, supportata dall'aggiunta di VFA, rappresenta una strategia efficace per mantenere le prestazioni del reattore in condizioni reali.