High rate algal ponds for post-treating sewage from UASB reactors : treatment efficiency, anaerobic co-digestion and sustainability

Abstract

This PhD thesis aimed at evaluating the performance of high rate algal ponds (HRAP) to post-treat the anaerobic effluent from an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor fed with sewage. The work analysed the system complishment in terms of treatment efficiency, micropollutants removal and biogas production, through the anaerobic co-digestion of raw sewage and microalgal biomass (with and without solar thermal pre-treatment), in a demonstration-scale system. In addition, the research intended at assessing the sustainability of the UASB+HRAP system using life cycle assessment (LCA), in terms of its environmental impact in comparison with other UASB post-treatment technologies. Sewage treatment efficiency was analysed through BIO_ALGAE 2 mathematical model, which enabled the understanding and optimisation of the symbiotic relation between microalgae and bacteria. To this, experimental data from demonstrationscale systems in tropical climate conditions were used for model calibration. In addition, different scenarios were considered by varying HRAP hydraulic retention time (HRT) (4, 6 and 8 days). Results obtained showed an efficient removal of COD (70%), TSS (42%), N-NH4 (57%) and P-PO4 (30%) in the UASB+HRAP system. From the valuated scenarios, the operation of HRAP at 4 days of HRT showed to be optimal in terms of sewage treatment and energy production, with lower area requirement. Regarding the removal of micropollutants (pharmaceuticals and endocrine disruptors), amples were collected periodically from raw sewage, UASB reactor and HRAP effluents. All monitored compounds were found in raw sewage, with occurrence rates ranging from 70 to 100%. Micropollutant removal in the UASB reactor ranged from none (-25.12% for the hormone EE2-ethinylestradiol) to 85% removal (E2-estradiol), due to the incapacity of anaerobic processes. However, the overall UASB+HRAP system was highly efficient for removing most compounds, with removal rates ranging between 65% (ibuprofen) to 95% (estrone). To evaluate the co-digestion of raw sewage and microalgal biomass in UASB reactors two phases were considered: without and after thermal pre-treatment using solar heating. In both cases, an UASB reactor fed with only raw sewage was used as control. During the first phase, the results showed a methane yield increase of 35% after anaerobic co-digestion with microalgae, from 156 to 211 NL CH4 kg-1 VS. An energy assessment showed a positive energy balance, with an annual average net ratio of 2.11 in the UASB+HRAP system. Regarding the results after microalgal biomass pre-treatment, organic matter solubilization reached 32% increase in terms of total COD. Furthermore, methane yield was increased by 45% compared to mono-digestion with raw sewage, from 81 to 117 NL CH4 kg-1 COD. The energy assessment showed a positive energy balance, with an annual average net ratio of 2.52 in the sewage treatment system. Finally, the environmental impact of HRAP as post-treatment technology following UASB reactors was carried out using LCA for comparison with other post-treatments: trickling filters, polishing ponds and constructed wetlands. The results showed that among the 8 categories evaluated, HRAP showed better performance in 4 of them. The study concluded that HRAP may be considered a potential technology following UASB reactors and its environmental impacts can be further improved by using appropriate materials and construction techniques.

Esta tesis tuvo como objetivo evaluar el desempeño de lagunas de alta tasa (LAT) como postratamiento del efluente anaeróbico de un reactor UASB depurando aguas residuales domésticas. El trabajo analizó el desempeño de este sistema evaluando la eficiencia del tratamiento, remoción de microcontaminantes y producción de biogás, mediante la codigestión anaeróbica de aguas residuales brutas y biomasa de microalgas (con y sin pre-tratamiento térmico solar), en escala de demonstración. Además, esta investigación también evaluó el impacto ambiental del flujo de tratamiento UASB + LAT, utilizando de la herramienta de evaluación del ciclo de vida (ACV), comparándolo con otros flujos de tratamiento ya consolidados para la realidad brasileña. La eficiencia de la depuración de las aguas residuales se analizó por el modelo matemático BIO_ALGAE 2, que permitió comprender y optimizar la relación simbiótica entre microalgas y bacterias. Para ello, se utilizaron datos experimentales del sistema en escala de demostración y en condiciones climáticas tropicales para calibrar el modelo. Además, a partir del modelo calibrado, se simularon diferentes escenarios variando el tiempo de detención hidráulico (TDH) de las lagunas (4, 6 y 8 días). Los resultados mostraron una eficiente remoción de DQO (70%), SST (42%), N-NH4 (57%) y P-PO4 (30%) en el sistema UASB + LAT. De los escenarios evaluados, la operación de las LAT con 4 días de TDH resultó excelente para la depuración de aguas residuales y potencial de producción de energía, con menor necesidad de área. Acerca de la remoción de microcontaminantes (fármacos y disruptores endocrinos), periódicamente se recolectaron muestras de las aguas residuales sin tratar, reactor UASB y efluentes de las lagunas. Todos los compuestos monitoreados se encontraron en las aguas residuales sin tratar, con tasas de ocurrencia que oscilan entre el 70 y el 100%. La eliminación de los microcontaminantes en el reactor UASB osciló entre nada (-25,12% para la hormona EE2-etinilestradiol) y 85% de eliminación (E2-estradiol), debido a la incapacidad de los procesos anaeróbicos. Sin embargo, el sistema UASB + LAT en general fue muy eficaz en la eliminación de la mayoría de los compuestos, con tasas de eliminación que desde el 65% (ibuprofeno) al 95% (estrona). Para evaluar la codigestión de aguas residuales sin tratamiento y biomasa de microalgas en reactores UASB, se consideraron dos fases: sin y después del pretratamiento térmico con calentamiento solar. En ambos casos, se utilizó como control un reactor UASB alimentado solo con aguas residuales sin tratar. Durante la primera fase, los resultados mostraron un aumento del 35% en el rendimiento de metano después de la co-digestión anaeróbica con microalgas, de 156 NL CH4 kg-1 SV a 211 NL CH4 kg-1 SV. Una evaluación energética demostró un balance positivo, con un ratio medio anual entre energía producida y consumida de 2,11 en el sistema UASB + LAT. En cuanto a los resultados tras el pretratamiento de la biomasa de microalgas, la solubilización de la materia orgánica alcanzó una eficiencia del 32% en términos de DQO total. Además, el rendimiento de metano aumentó en un 45% en comparación con la mono-digestión con aguas residuales sin tratar, de 81 NL CH4 kg-1 DQO a 117 NL CH4 kg-1 DQO. La valoración energética arrojó un saldo positivo, con una ratio medio anual entre energía producida y consumida de 2,52 para el sistema evaluado. Finalmente, el impacto ambiental del LAT como postratamiento de efluentes de reactores UASB se llevó a cabo utilizando LCA como comparación con otras tecnologías ya consolidadas para el postratamiento del reactor UASB en Brasil: filtro biológico percolador, lagunas de pulimiento y humedal construido. Los resultados mostraron que, entre las 8 categorías evaluadas, el sistema LAT se desempeñó mejor en 4. El estudio concluyó que LAT puede considerarse una tecnología potencial y sostenible para el postratamiento de efluentes de reactores UASB y sus impactos ambientales pueden mejorarse utilizando materiales y técnicas de construcción adecuada.

Esta tese teve como objetivo avaliar o desempenho de lagoas de algas de alta taxa (LAT) como pós-tratamento do efluente anaeróbio de um reator UASB alimentado com esgoto doméstico. O trabalho analisou o desempenho desse sistema em termos de eficiência de tratamento, remoção de micropoluentes e produção de biogás, através da co-digestão anaeróbia de esgoto bruto e biomassa microalgal (com e sem pré-tratamento solar térmico), em escala de demonstração. Além disso, essa pesquisa também a avaliou o impacto ambiental do fluxo de tratamento UASB+LAT, através da ferramenta de avaliação do ciclo de vida (ACV), comparando com outros fluxos de tratamento já consolidados para a realidade brasileira. A eficiência do tratamento de esgoto foi analisada por meio do modelo matemático BIO_ALGAE 2, que possibilitou o entendimento e otimização da relação simbiótica entre microalgas e bactérias. Para isso, dados experimentais do sistema em escala de demonstração e em condições de clima tropical foram utilizados para calibração do modelo. Ademais, a partir do modelo calibrado, diferentes cenários foram simulados variando o tempo de detenção hidráulica (TDH) das LAT (4, 6 e 8 dias). Os resultados obtidos mostraram uma remoção eficiente de DQO (70%), SST (42%), N-NH4 (57%) e P-PO4 (30%) no sistema UASB + LAT. Dos cenários avaliados, a operação das LAT com 4 dias de TDH mostrou-se ótima em termos de tratamento de esgoto e potencial de produção de energia, com menor necessidade de área. Em relação à remoção dos micropoluentes (fármacos e desreguladores endócrinos), foram coletadas periodicamente amostras de esgoto bruto, reator UASB e efluentes das Lagoas. Todos os compostos monitorados foram encontrados no esgoto bruto, com taxas de ocorrência variando de 70 a 100%. A remoção do micropoluente no reator UASB variou de nenhum (-25,12% para o hormônio EE2-etinilestradiol) a 85% de remoção (E2-estradiol), devido à incapacidade dos processos anaeróbicos. No entanto, o sistema UASB + LAT em geral foi altamente eficiente para remover a maioria dos compostos, com taxas de remoção variando entre 65% (ibuprofeno) a 95% (estrona). Para avaliar a co-digestão de esgoto bruto e biomassa microalgal em reatores UASB foram consideradas duas fases: sem e após pré-tratamento térmico com aquecimento solar. Em ambos os casos, um reator UASB alimentado apenas com esgoto bruto foi usado como controle. Durante a primeira fase, os resultados mostraram um aumento no rendimento de metano de 35% após a co-digestão anaeróbia com microalgas, de 156 NL CH4 kg-1 SV para 211 NL CH4 kg-1 SV. Uma avaliação energética mostrou um balanço energético positivo, com uma relação média anual entre energia produzida e consumida de 2,11 no sistema UASB+LAT. Em relação aos resultados após o pré-tratamento da biomassa microalgal, a solubilização da matéria orgânica atingiu uma eficiência de 32% em termos de DQO total. Além disso, o rendimento de metano aumentou em 45% em comparação com a mono-digestão com esgoto bruto, de 81 NL CH4 kg-1 DQO para 117 NL CH4 kg-1 DQO. A avaliação energética apresentou balanço positivo, com relação média anual entre energia produzida e consumida de 2,52 para o sistema avaliado. Finalmente, o impacto ambiental das LAT como pós-tratamento de efluente de reatores UASB foi realizado usando ACV para comparação com outras tecnologias já consolidadas para o pós-tratamento de reator UASB no Brasil: filtro biológico percolador, lagoas de polimento e wetland construído. Os resultados mostraram que dentre as 8 categorias avaliadas, o sistema de LAT apresentou melhor desempenho em 4. O estudo concluiu que as LAT podem ser considerado uma tecnologia potencial e sustentável para pós tratar efluente de reatores UASB e seus impactos ambientais podem ser melhorados usando materiais e técnicas de construção apropriados