Treatment of municipal wastewater in a granular sludge reactor : correlations between fluorescence fingerprints of wastewater and the behavior of nutrients during anaerobic and aerobic reactor phases

Abstract

Omfattende studier har blitt gjennomført for å forstå de biologiske prosessene som inngår i behandling av avløpsvann i bioreaktorer med granulært slam. En teknologi på fremmarsj som har potensiale til å bidra til en bedre forståelse av en bioreaktors virkemåte og effektivitet er fluorescensspektrometri, hvor fluorescerende komponenter i avløpsvannet overvåkes gjennom reaktorens syklus. Kunnskap om endringene i disse fluorescerende "fingeravtrykkene", kalt "3D-EEM", og deres forhold med konsentrasjonen av næringsstoffer i avløpsvannet gjennom den anaerobe og aerobe fasen i reaktoren er mangelfull. Denne studien har forsøkt å fastslå om det er parametere fra "3D-EEM"-ene til avløpsvann, eller kombinasjoner av disse, som korrelerer med og kan være med å indikere fjerning av nitrogen og fosfor gjennom de mikrobiologiske prosessene som er karakteristiske for en bioreaktor bestående av granulært slam som opererer med satsvise sykluser.

Forskere ved University of Washington (UW) drifter et sidestrøms pilotanlegg i samarbeid med King County Technology Assessment Program i Seattle, USA. Bioreaktoren gjennomfører nitrifikasjon og denitrifikasjon samt fosforfjerning. I perioden fra begynnelsen av mars 2019 og frem mot slutten av juni 2019 har det blitt tatt prøver av denne reaktoren både i den aerobe og anaerobe fasen.

Prøvene har blitt analysert for total ammonium nitrogen-, nitritt-, nitrat- og fosfor- konsentrasjoner. Målinger av fluorescens har blitt gjennomført på lab med et spektrofluorometer for å analysere prøvenes fulle "3D-EEM"-er. Disse "3D-EEM"-ene har så blitt prossessert ved å integrere de respektive fluorescerende regionene i "3D-EEM"- ene, og det ble i denne studien observert fire fluorescerende regioner. Parallell faktor analyse (PARAFAC) har også blitt brukt til analyse av prøvene, hvilket resulterte i en PARAFAC-modell bestående av to komponenter både i den anaerobe og aerobe fasen til reaktoren.

Det lineære forholdet mellom de integrerte fluorescensregionene og næringsstoffkonsentrasjonene, samt det lineære forholdet mellom PARAFAC komponentenes relative konsentrasjon og næringsstoffkonsentrasjon ble studert. De observerte resultatene indikerte svært store forskjeller mellom de ulike prøveseriene. Om disse forskjellene skyldes sesongvariasjoner eller reaktorens effektivitet er ikke fullt ut forstått på nåværende tidspunkt.

Kun den fluorescerende regionen knyttet til aromatiske proteiner med både tyrosin- og tryptofan-lignende substanser var observert til å ha et signifikant (p<0.05) lineært forhold til fosforkonsentrasjonen i den anaerobe fasen. I den aerobe fasen var dette den eneste regionen blant prøvene som dekket hele reaktorens syklus som ble observert til å ha et signifikant (p<0.05) lineært forhold med næringsstoffkonsentrasjonene gjennom hele prøvetakingsperioden.

Videre var enkelte fluorescerende områder i "3D-EEM"-ene observert til å ha et sterkere lineært forhold med næringsstoffkonsentrasjonene sammenlignet med det totale registrerte fluorescensspekteret i den aerobe fasen. Dette ble også observert for forskjellige områder, men området assosiert med aromatiske proteiner med både tyrosin- og tryptofan-lignende substanser var observert til å ha et sterkere lineært forhold enn det totale fluorescensspekteret for alle seriene som dekket fulle reaktorsykluser.

Fluorescensspektrometri er i denne sammenhengen, behandling av avløpsvann, langt fra å nå sitt fulle potensial, og bruken av større datasett i fremtidige studier vil åpne for muligheten til å benytte seg av en rekke statistiske modeller som har potensiale til å gi ytterligere informasjon om bioreaktorens effektivitet.

Extensive research has been carried out to ascertain the nature of biological processes involved in the treatment of wastewater in granular sludge reactors. One emerging technology that has the potential to be used to gain a better understanding of the reactors behavior and performance is fluorescence spectroscopy, where the fluorescent components present in the wastewater during the reactor cycles are monitored. However, the changes of the main features of these fluorescence fingerprints, notably the 3D-EEMs, and their relationship with nutrient concentrations during the aerobic and anaerobic phases are currently lacking. This study had an ambition to establish whether there are parameters of the 3D-EEMs from wastewater, or their combinations, that are correlated with and indiciative of the removal of nitrogen and phosphorous via microbiological processes typical for granular sludge reactors.

A pilot sidestream granular sludge reactor performing nitrification and denitrification together with phosphorous removal is operated by researchers at the University of Washington (UW) in collaboration with King County Technology Assessment Program in Seattle, USA. This reactor has been sampled throughout its anaerobic and aerobic phases over a period from beginning of March 2019 to the end of June 2019.

Samples have been analyzed for total ammonia nitrogen, nitrite and nitrate as well as phosphorous concentrations. Fluorescence measurements have been made on a bench-top spectrofluorometer to capture the full 3D-EEMs of the samples. The 3D-EEMs have been processed using fluorescence regional integration (FRI), where four distinct fluorescence regions were identified. Parallel factor analysis (PARAFAC) has also been employed resulting in a two-component PARAFAC-model for both the anaerobic and aerobic phase of the reactor.

The linear relationship between the integrated fluorescence regions and nutrient concentrations, as well as the linear relationship between PARAFAC component relative concentrations and nutrient concentrations was assessed. The observed results indicate great differences between the different sampling series, yet whether these differences are due to seasonal variations or reactor efficacy is not fully understood to this point.

The data show that only the fluorescent region attributed to aromatic proteins with both tyrosine-like and tryphtophan-like substances was observed to have a significant linear relationship (p<0.05) with phosphorous in the anaerobic phase. In the aerobic phase, the same region was the only region in the full cycle profiles observed to have a significant linear relationship (p<0.05) with the nutrient concentrations throughout the whole sampling period.

In addition, distinct fluorescent regions in the 3D-EEMs were observed to have a stronger linear relationship with the nutrient concentration compared to the total recorded fluorescence spectra in the aerobic phase. This was observed for varying regions, but the region attributed to aromatic proteins with both tyrosine-like and tryphtophan-like substances was observed to have a stronger linear relationship than the total fluorescence spectra on all the full cycle series of the reactor.

In the context of monitoring wastewater treatment processes, fluorescence spectroscopy is still far from its full potential, and the use of bigger data sets in future studies would allow the application of a wide range of statistical models to provide useful insights to the reactor performance.