Challenges of mainstream anammox in a two stage reactor : partial nitritation and heterotrophic competition

In this thesis the principal challenges in the application of mainstream anammox in municipal wastewater treatment plant are discussed. The study was conducted in a lab scale two-stage nitritation/anammox system. Partial nitritation in Sequencing Batch Reactor (SBR) was run for four months at ambient temperature (15-20 °C). At the beginning, the e uent reported an increasing nitrite production and, after a period, despite of changes in operational set-up (sludge age and oxygen control), a production of nitrate. It was found that high rate biological COD removal is feasible at ambient temperature and constitute a proper pre-treatment for a subsequent anammox-based process. On the other hand, in the adopted conditions the correct value of sludge age for partial nitritation at ambient temperature has to be serched in the range between 2-4 days. In addition further improvement in oxygen control has to be done to obtain AOB retention and NOB washout. Through batch experiments, in anammox reactor, it was also investigated the competition for substrate between anammox and heterotrophs and the mechanisms involved in organic matter degradation. In the presence of easy biodegradable organic carbon (COD) it was reported a storage capacity. From the comparison with di erent sludge fed in (semi-)continuous mode, it is proposed that discontinuous feeding boosts the organics storage potential of the sludge. This hypothesis needs further investigation to be proved. Regularly samples were taken from reactors, prepared with FISH (Fluorescence In Situ Hybridization) techniques and analysed using Confocal Microscope.

In questa tesi sono stati analizzate e discusse le principali problematiche legate all'utilizzo di anammox applicato alla linea acque nell'ambito del trattamento delle acque reflue urbane. Lo studio e' stato condotto su un sistema a due stadi nitrosazione/anammox a scala di laboratorio. La nitrosazione in reattore SBR è stata condotta per quattro mesi a temperatura ambiente (15-20°C). Inizialmente, l'analisi degli effluenti ha evidenziato un'incremento della produzione di nitriti. Dopo un certo periodo, indipendentemente dai cambiamenti nelle condizioni sperimentali (età del fango e ossigeno), si è anche riscontrato un incremento della produzione di nitrati. Si è mostrato che un elevato tasso di rimozione biologica di carbonio organico è fattibile a temperatura ambiente. Ciò rappresenta un adeguato pre-trattamento per il successivo processo nel reattore anammox. Nelle condizioni sperimentali considerate, il valore ideale di età del fango per la nitrosazione a temperatura ambiente è risultato essere compreso tra 2 e 4 giorni. Un ulteriore miglioramento nel controllo dell'ossigeno sembra essere necessario per ottenere un buon mantenimento dei batteri Nitrosomonas per l'ossidazione dell'ammoniaca a nitriti e il dilavamento dei batteri Nitrobacter per l'ossidazione dei nitriti a nitrati. Attraverso esperimenti batch nel reattore, si è investigata, inoltre, la competizione per il substrato tra anammox ed eterotrofi. Sono anche stati studiati i meccanismi coinvolti nella degradazione della materia organica. In presenza di carbonio organico rapidamente biodegradabile, si è registrata una certa capacità di storage. Attraverso l'analisi dei risultati ottenuti confrontando diversi fanghi alimentati in modalità (semi-)continua, si è proposto che un'alimentazione discontinua possa incrementarne le capacità di storage. Questa ipotesi, comunque, richiede ulteriori analisi e uno studio più approfondito. Regolarmente, sono stati estratti campioni dai reattori, che sono successivamente stati preparati con tecniche FISH ed analizzati utilizzando la microscopia confocale.