Advanced biological processes for nitrogen removal from agricultural digestate

Anaerobic digestion is more and more applied with the double purpose of effectively treating livestock waste-water and as a mean to produce renewable energy as biogas. The liquid fraction of the digested material is rich in ammonium nitrogen; however, its disposal on agricultural soil is often not possible as intensive-breeding farms do not have enough arable land available to comply with the stringent limits on allowed nitrogen loads for land application of manure and other animal wastes. These limits derive from the enforcement of the European directive on nitrates (91/676/CEE) and other recent national and regional regulations, aiming at protecting groundwater from nitrate pollution. This has stimulated the search for cost-effective nitrogen removal techniques. This thesis is part of a bigger project (“BRAIN”, founded by the Italian Ministry of Forestry and Agriculture) that has the general aim of exploring the feasibility of advanced biological processes to reduce nitrogen from agricultural digestate. The main challenges in treating these type of wastewaters with innovative biological nitrogen removal processes concern the wide variability in the characteristics of agricultural digestate, due to (i) the seasonality of the digested matrixes, (ii) the variable operating conditions of the digesters and (iii) the occasional or permanent occurrence of inhibitors such as recalcitrant organics (antibiotics, humic and fulvic acids) or heavy metals. The BRAIN project considers two biological processes to treat the liquid fraction of agricultural digestate: I) the nitritation-denitritation process (here called “DENO2”) and II) the fully autotrophic nitrogen removal process. The DENO2 process is based on the fact that nitrite is an intermediate compound in both nitrification and denitrification steps, and therefore both nitrate production and reduction can be bypassed. In the fully autotrophic nitrogen removal process, partial nitritation is followed by anaerobic ammonium oxidation via the anammox process, resulting in the production of dinitrogen gas. This thesis deals with the DENO2 process and with the anammox process, while the partial nitritation is not part of this work. A pilot-scale SBR (800L) has been operated according to the nitritation-denitritation mode. It is located at a piggery farm (20000 pigs) in Lombardy, treated the supernatant from a full scale digester, fed on thickened piggery manure, poultry manure and agro-wastes (maize, wheat). High influent variability in terms of C/N ratio was registered depending on seasonal variation in the piggery waste production, variation in the co-substrates fed to the digester in addition to the piggery wastewater (maize, wheat, poultry manure) and variable anaerobic digestion efficiency. The initial inoculum was already rich in AOB and a stable nitritation efficiency has been maintained: in fact, the NO2/NOx ratio at the end of the aeration phase remained always around 80-90% at temperature of both 25°C and 30°C, SRT up to 30 d and oxygen concentration of 0.75 1 mgO2 L-1. Operation at high SRT (20-25d) allowed to maintain nitrogen removal efficiency in the range 60% to 95%, in spite of the high influent COD/N variability (from 1.3 to 5). When COD/N ratio in the influent was higher than 3, the nitrification process in the reactor was less efficient, mainly because of oxygen limitation, which was due to concurrent heterotrophic activity and the thick flocculent biomass matrix. Respirometric tests and microbiological analyses confirmed the hypothesis on oxygen limitation, which was probably due to diffusion through the thick flocculent biomass matrix. Free ammonia and free nitrous acid inhibitions on nitritation activity were assessed: IC50 values were found to be 148±5 mgNH3-N L-1 and 0.16±0.02 mgHNO2-N L-1, respectively. During the experimentation, free ammonia affected AOB activity more than free nitrous acid. However, under stable operation, the overall FA and FNA inhibition was calculated to be averagely 8±4% and always lower than 20%. Relevant N2O emissions, accounting for 14-20% of the N treated, have been detected in preliminary tests. In this thesis three different lab-scale studies on the anammox process are included, namely: - anammox enrichment from conventional sludge samples; - tests to assess the applicability of anammox to treat the liquid fraction of agro-waste digestate; - nitrite inhibition and recovery of anammox biomass. Although anammox microorganisms are widely diffused in both natural and man-made environments, these microorganisms grow very slowly, and the availability of a suitable biomass inoculum is important both for research and applicative purposes. Enrichment from environmental sludge samples is a way to fulfill this need. A simple fed-batch method was applied to enrich six sludge samples collected from Italian wastewater treatment plants (either from the anaerobic or anoxic stage) treating municipal, yeast-production or swine effluents. All samples were found to be adequate for anammox microorganism enrichment. The length of the lag-phase before such anaerobic ammonium oxidation was observed was around 100 days for most samples, thus similar to that measured in previous attempts. Three of the enriched samples were subsequently mixed and used to inoculate a SBR reactor fed with mineral medium. A 10 fold increase in the nitrogen removal rate was achieved in 80 days, reaching 0.22 gN L-1d-1. In the following experimental phase, an highly enriched granular biomass taken from a full scale reactor was used. The stability of the anammox process when treating agricultural digestate after solid/liquid separation and aerobic pre-treatment at different dilution levels was evaluated in a lab-scale SBR. The study was conducted at stable influent nitrogen concentrations comparable to those expected in a full-scale plant. The nitrogen loading rate applied was maintained around 0.6 kg N m-3d-1 during the whole experimentation. No pretreatment was applied and the fraction of real wastewater in the influent was gradually increased up to 100% (v/v). Anammox process was stable and could efficiently remove the applied nitrogen load when the percentage of real wastewater in the feed was lower than 70%. The maximum nitrogen removal capacity in the reactor increased 4 times in around 60 days reaching 5.1 kg N m-3d-1 despite the fraction of real wastewater blended in the SBR was increased from 10% to 70%. Later on, anammox activity dropped. The causes are still unclear. The most probable reasons may be: the presence of one or more compounds that are already present in the real waste water (e.g. antibiotics, humic/fulvic acids) or one or more compounds which may have been produced in the reactor by hydrolysis of slowly degradable organic compounds. Nevertheless, the anammox process appears to be applicable to this real wastewater after a moderate dilution of 0.5:1, without any further pretreatment. This result need to be confirmed by a future long term experimentation under stable conditions. Finally the nitrite inhibition effect on anammox biomass was evaluated. Anammox granules from two SBRs fed on very different wastewaters (synthetic medium and landfill leachate) shared many similarities in terms of microbial population and kinetics, resulting in similar response to increasing concentrations of nitrite (100, 200, 300, 500 mgN-NO2- L-1). Anammox granules from both reactors were proven to be quite tolerant to moderate to high nitrite concentrations, as long as the exposure time was limited to 3-4 hours with less than 40% activity loss at 500 mgNO2--N L-1. However, after prolonged exposure (24 h), the activity loss was substantial (IC50: 173 mgNO2--N L-1 and 171 mg mgNO2--N L-1 for Anammox granules grown on synthetic medium and on leachate, respectively). After washing the granules with nitrite-free medium, anammox activity recovered substantially from both SBRs, reaching 60-80% of the initial maximum specific activity. This confirms that major activity losses in anammox reactors can be avoided by a timely identification of process operational conditions causing nitrite build-up in the reactor.

La digestione anaerobica è sempre più applicata in ambito agricolo con il duplice scopo di trattamento efficace dei reflui zootecnici e come mezzo per produrre biogas e, quindi, energia da fonti rinnovabili. La frazione liquida del digestato è ricca di azoto ammoniacale, ma il suo smaltimento sul suolo agricolo spesso non è possibile in quanto gli allevamenti intensivi non hanno abbastanza terra coltivabile a disposizione per rispettare i limiti allo spandimento imposti dalla Direttiva Nitrati (91/676/CEE) e dalle conseguenti leggi nazionali e regionali allo scopo di proteggere le acque sotterranee dall’inquinamento da nitrati. La ricerca di tecniche di rimozione dell’azoto ha ricevuto quindi notevole impulso. La tesi fa parte di un progetto più ampio ("BRAIN", finanziato dal MIPAAF) che ha l'obiettivo generale di studiare la fattibilità di processi biologici avanzati per ridurre l'azoto nei digestati agricoli. Le principali criticità nel trattamento di questo tipo di acque reflue con processi biologici innovativi di rimozione dell’azoto riguardano l'ampia variabilità delle caratteristiche del digestato agricolo, a causa di (i) stagionalità delle matrici digerite, (ii) condizioni operative variabili dei digestori e ( iii) presenza occasionale o permanente di inibenti dei processi biologici quali metalli pesanti, antibiotici o altri composti organici. Nel progetto BRAIN sono stati considerati due processi biologici per il trattamento della frazione liquida del digestato agricolo: I) il processo di nitritazione-denitritazione (qui chiamato "DENO2") e II) processo di rimozione completamente autotrofa dell’azoto. Il processo DENO2 si basa sul fatto che il nitrito è un composto intermedio sia della fase di nitrificazione che di denitrificazione, e quindi la produzione e riduzione di nitrato può essere by-passata. Nel processo di rimozione dell'azoto completamente autotrofa, la nitritazione parziale è seguita dal processo anammox di ossidazione anaerobica dell’ammonio, con conseguente produzione di azoto-gas. In questa tesi si è studiato il processo DENO2 e, a scala di laboratorio, anche il processo anammox, mentre il processo di nitritazione parziale non è stato oggetto di studio in questa tesi. Un reattore SBR (800L) a scala pilota è stato gestito con il processo DENO2. Ubicato in un allevamento di suini (20000 capi) in Lombardia, l’impianto ha trattato la frazione liquida 8° valle di una separazione con centrifuga) di un digestore anaerobico alimentato con refluo suinicolo flottato, pollina e biomasse (mais, frumento). E’ stata registrata un’alta variabilità del rapporto C/N dell’influente, in funzione delle variazioni stagionali nella produzione di reflui zootecnici, della variabilità nell’alimentazione dei substrati al digestore oltre al refluo suinicolo (mais, frumento, pollina) e delle variazioni di efficienza del processo di digestione anaerobica. L'inoculo iniziale è risultato essere già ricco di AOB ed è stata mantenuta una stabile efficienza di nitritazione: infatti, il rapporto NO2/NOx al termine della fase di aerazione è rimasto sempre di circa 80-90% pur lavorando a temperature di 25 °C - 30 °C , SRT fino a 30d e concentrazione di ossigeno di 0,75-1 mgO2 L-1. La gestione con alto SRT (20-25d) ha permesso di mantenere l'efficienza di rimozione dell'azoto tra il 60% e il 95%, nonostante l'alta variabilità nel C/N dell’influente (da 1,3 a 5). Quando il rapporto COD/ N nel l’influente è stato superiore a 3, il processo di nitrificazione nel reattore è risultato meno efficiente, soprattutto a causa della limitazione da ossigeno, dovuta a una concomitante attività eterotrofa e alle dimensioni dei fiocchi. Prove respirometriche e analisi microbiologiche hanno confermato l'ipotesi di limitazione da ossigeno, probabilmente dovuta alle resistenze diffusive attraverso la densa matrice fioccosa. E’ stato valutato, inoltre, l’effetto dell’inibizione da ammoniaca libera e acido nitroso sull'attività degli AOB: i valori di IC50 ottenuti sono stati rispettivamente pari a 148 ± 5 mgNH3 N L-1 e 0,16 ± 0,02 mgHNO2 N L-1. Durante la sperimentazione l’effetto di inibizione da ammoniaca libera sugli AOB è stato predominante. Durante i periodi in cui il processo operava allo stato stazionario, l'inibizione complessiva di FA e FNA è stata calcolata essere mediamente l’8 ± 4% e sempre inferiore al 20%. Le emissioni di N2O sono state misurate solo durante alcuni test preliminari, ricavando valori pari al 14-20% del N trattato, che richiederanno ulteriori approfondimenti per capirne le cause e ridurne l’entità, ottimizzando il processo. In questa tesi sono stati condotti tre differenti studi a scala di laboratorio sul processo anammox: - arricchimento di biomassa anammox da campioni di fango proveniente da impianti di depurazione convenzionali; - valutazione dell'applicabilità del processo anammox per trattare la frazione liquida del digestato di origine agricola; - valutazione dell’inibizione da nitrito sulla biomassa anammox e il successivo recupero di attività. I microrganismi anammox sono ampiamente diffusi in ambienti naturali e artificiali, ma crescono molto lentamente. La disponibilità di un inoculo di biomassa adeguato è quindi importante sia per scopi di ricerca che applicativi. L’arricchimento da campioni di fanghi convenzionali è un modo per soddisfare questa esigenza. Un semplice metodo fed-batch è stato applicato per arricchire sei campioni di fanghi provenienti da impianti di depurazione italiani. La presenza di microrganismi anammox è stata rilevata in tutti i campioni prelevati; le prove di arricchimento hanno rivelato tempi di latenza (lag-phase) di circa 100 giorni per la maggior parte dei campioni. Tre dei campioni arricchiti sono stati successivamente miscelati e utilizzati per inoculare un reattore SBR alimentato con alimento sintetico. In 80 giorni il tasso di rimozione dell'azoto è aumentato di 10 volte raggiungendo 0,22 gN L-1d-1. Nella fase sperimentale successiva è stata utilizzata una biomassa anammox granulare prelevata da un reattore a scala reale. In un reattore SBR alimentato in continuo è stata valutata la stabilità del processo anammox nel trattamento del digestato agricolo dopo separazione solido / liquido e pre-trattamento aerobico con diverse diluizioni. Lo studio è stato condotto a concentrazioni di azoto nell’influente stabili e paragonabili a quelli attesi in un impianto in piena scala. Il carico applicato è stato mantenuto intorno a 0,6 kg N m-3d-1 durante tutta la sperimentazione. La frazione di refluo reale nell’influente è stata gradualmente aumentata fino al 100% (v/v). Il processo anammox è risultato stabile e in grado di rimuovere efficacemente il carico di azoto applicato finché la percentuale di refluo reale nell’influente si è mantenuta inferiore al 70%. La frazione di refluo reale alimentata nel SBR è stata gradualmente aumentata dal 10% al 70% e la massima capacità di rimozione di azoto nel reattore è aumentata di 4 volte in circa 60 giorni, raggiungendo il valore di 5.1 kg N m-3d-1. In seguito, si è verificato un crollo dell'attività anammox, le cui cause non sono ancora state chiarite. Le ragioni più probabili possono essere: la presenza di uno o più composti già presenti nel refluo (ad esempio antibiotici, acidi umici / fulvici) o uno o più composti che possono essere stati prodotti nel reattore dall’idrolisi di composti organici lentamente degradabili. Ciononostante, il processo anammox sembra essere applicabile a reflui di questo tipo, almeno previa diluizione del 50% con acqua e senza ulteriori pretrattamenti. Questi risultati devono essere confermati da future sperimentazioni a lungo termine e in condizioni stabili. Infine, è stato valutato l'effetto di inibizione da nitrito sulla biomassa anammox. Granuli anammox provenienti da due SBR alimentati con acque molto diverse (alimento sintetico e percolato di discarica) hanno rivelato molte similarità in termini di popolazione microbica e cinetica, con conseguente risposta simile a concentrazioni crescenti di nitriti (100, 200, 300, 500 mgN-NO2 L -1). La biomassa anammox di entrambi i reattori ha dimostrato di essere molto tollerante concentrazioni di nitrito anche elevate, finché il tempo di esposizione è stato limitato a 3-4 ore con perdita di attività inferiore al 40% a 500 mgNO2 N L-1. Tuttavia, dopo un’esposizione prolungata (24 h), la perdita di attività è stata notevole (IC50: 173 mgNO2 - N L-1 e 171 mg mgNO2 - N L-1 rispettivamente per granuli anammox cresciuti su alimento sintetico e percolato). Dopo una procedura di lavaggio dei granuli con alimento sintetico privo di nitriti l'attività anammox ha recuperato, raggiungendo il 60-80% dell’iniziale attività massima specifica. Ciò conferma che le numerose perdite di attività nei reattori anammox possono essere evitate con una tempestiva individuazione delle condizioni operative di processo che causano accumulo di nitrito nel reattore.