Short-term process response of Anoxic Granular Sludge (AnoxGS) to VFA loading and composition in real wastewater

The variability of volatile fatty acids (VFAs) in real wastewater can influence carbon availability, redox dynamics, and microbial selection, thereby affecting denitrification and phosphorus-transforming pathways in granular sludge systems This research investigates the short-term process responde and operational resilience of an anoxic granular sludge (AnoxGS) community cultivated in a 5L sequencing batch reactor (SBR) treating real wastewater, under step changes in soluble COD (sCOD) provided as acetate, fermentation-derived VFAs (cheese whey), and defined synthetic VFA mixture, including a final increase in sCOD during Phase V. Performance was assessed through cycle-scale mass trends and biweekly monitoring of COD, nitrate, and phosphate, complemented by solids (TSS/VSS), settleability (SVI), and ph/ORP/temperature tracking. Across VFA-fed phases (III-V), tCOD removal remained stable despite changes in VFA composition and concentration, consistent with feast-famine selection and rapid storage/uptake capacity of SBR granular systems. In contrast, nitrate removal was more sensitive. With early variability associated with seasonal temperature instability. After implementing temperature control, nitrate removal becomes more consistent. Phosphate dynamics did not show strong EBPR, aligned with GAOs dominance storage regime and only episodic PAOs presence. Solid trends supported structural resilience to gradual carbon shifts, although sCOD overdose promoted surface biofilm formation and operational disturbance. These findings indicate that AnoxGS can maintain organic matter removal under VFA changing regimes, while nitrogen and phosphorus outcomes depend more strongly on environmental stability and PAO/GAO competition.

La variabilità degli acidi grassi volatili (VFA) nelle acque reflue reali può influenzare la disponibilità di carbonio, le dinamiche redox e la selezione microbica, incidendo così sui processi di denitrificazione e sulle vie di trasformazione del fosforo nei sistemi a fanghi granulari. Questa ricerca indaga la risposta di processo a breve termine e la resilienza operativa di una comunità di fango granulare anossico (AnoxGS) coltivata in un reattore batch sequenziale (SBR) da 5 L che tratta acque reflue reali, sottoposto a variazioni a gradino del COD solubile (sCOD) fornite sotto forma di acetato, VFA derivati da fermentazione (siero di latte) e una miscela sintetica definita di VFA, includendo un incremento finale dello sCOD durante la Fase V. Le prestazioni sono state valutate tramite l’analisi dei trend di massa su scala di ciclo e il monitoraggio bisettimanale di COD, nitrato e fosfato, integrati da misure dei solidi (TSS/VSS), della sedimentabilità (SVI) e dal tracciamento di pH/ORP/temperatura. Durante le fasi alimentate con VFA (III–V), la rimozione del tCOD è rimasta stabile nonostante i cambiamenti nella composizione e nella concentrazione dei VFA, in linea con la selezione “feast–famine” e con la rapida capacità di accumulo/assorbimento tipica dei sistemi granulari in SBR. Al contrario, la rimozione del nitrato si è mostrata più sensibile, con una variabilità iniziale associata all’instabilità stagionale della temperatura. Dopo l’implementazione del controllo della temperatura, la rimozione del nitrato è diventata più coerente. Le dinamiche del fosfato non hanno evidenziato un EBPR marcato, coerentemente con un regime di accumulo dominato dai GAO e con una presenza solo episodica di PAO. I trend dei solidi hanno supportato una resilienza strutturale a variazioni graduali del carbonio, sebbene un sovradosaggio di sCOD abbia favorito la formazione di biofilm superficiale e disturbi operativi. Questi risultati indicano che l’AnoxGS può mantenere la rimozione della sostanza organica sotto regimi variabili di VFA, mentre gli esiti relativi ad azoto e fosforo dipendono più fortemente dalla stabilità ambientale e dalla competizione PAO/GAO.