[en] During the last decades, the production of nutrient-rich wastewaters with a wide range of emerging contaminants such as personal care products, ultraviolet filters, synthetic fragrances and especially the active pharmaceutically compounds (PhACs) has been continuously increasing worldwide due to the exponential growth of urban populations, household consumption and industrial production. Nowadays, conventional wastewater treatment plants (WWTPs) have demonstrated many shortcomings to face more stringent discharge standards in terms of nutrient release and emerging contaminants removal. In this sense, the continues presence of different trace organic contaminants such as PhACs in treated urban wastewaters and treated sewage sludge is an issue of growing concern worldwide. Moreover, several studies have shown that PhACs can be accumulated into the soil, groundwaters and edible portions of plants irrigated with treated wastewater, representing an important exposure of pharmaceutical to humans, with potential health implications. To overcome these problems, the present PhD Thesis has studied the occurrence, fate and removal efficiency (RE) of 27 PhACs in a pilot-scale wastewater treatment plant operated with conventional and advanced processes in different experimental phases. The investigation was developed under a multidisciplinary approach, in search of interlinkages among the removal efficiencies of PhACs, the performance of the treatment system, the changes of operational parameters, and the shifts of the microbial communities' structure in the sludge, in both the water line and sludge line of the pilot-scale plant. The pilot-scale plant is a scale-copy (1:25,000) of WWTP Murcia Este (Murcia, Spain) and treats up to 6 m3d-1 urban wastewater from the WWTP Murcia Este. The investigation was divided into three experimental phases (Phase I, II and III) in the water line. Phases I and II operated 104 days each with a conventional biological nutrient removal system (anaerobic/anoxic/aerobic, A2O), and with different operational parameters between phases; while in Phase III, the A2O bioreactor was transformed into a moving bed hybrid bioreactor ("integrated fixed-film activated sludge" IFAS system) filling the aerobic chamber 50% with the carrier AnoxKaldnes K5. In the sludge line, the primary and secondary sludge produced by the water line of the A2O system was thickened and treated by two digesters in series using the no conventional two-stage mesophilic digestion system (MAD). The two-stage MAD system was long-term operated during the first two experimental phases (Phase I and II), using two different sets of hydraulic retention times (HRTs) for the acidogenic (AcD) and methanogenic (MD) digesters (phase I, 2 and 12 days; and phase II, 5 and 24 days, in AcD and MD, respectively). Quantitative polymerase chain reaction (qPCR) and Illumina MiSeq sequencing analysis were used to quantify and to investigate the structure, diversity and population dynamics of bacteria, archaea and fungi communities in the activated sludge of the bioreactor and digested sludge of the AcD and MD. Multivariate analyses and Spearman correlation coefficients were used in search of significant links among the REs of the selected PhACs, the abundances of the microbial groups in the bioreactor and digesters, and the changes of environmental/operating variables in the A2O, A2O-IFAS bioreactors and two-stage anaerobic digesters. In the water line, the results showed that the A2O system improved the RE of organic matter, nutrients and 5 PhACs when the biomass concentration (MLSS) was improved and the F/M ratio was reduced in Phase II; accordingly, positive correlations were found among the REs of these PhACs and several operational/environmental variables (MLSS, F/M ratio, N-NH4 + influent concentration and total nitrogen removal rate). However, when the pilot-scale bioreactor operated with A2O-IFAS system in the experimental Phase III, the REs of organic matter, nutrients and especially 8 and 5 PhACs was significantly improved compared to the A2O system (Phase I and II, respectively). Besides, these performance improvements of the A2O-IFAS system occurred with a lower operational cost. In the sludge line, the optimum HRT ranges for an efficient two-stage MAD was found, based in the production of volatile free acid (VFA) and methane in both digesters, confirmed by the strong interlinkages found among operational/performance variables and the relative abundances of bacterial and archaeal groups. Finally, the extension of the HRT from 12 (Phase I) to 24 days (Phase II) in the MD was significantly linked with an improved removal of 7 PhACs. Non-metric multidimensional scaling (MDS) plots and Biota-environment (BIOENV) analysis revealed strong correlations between the bacteria and archaea communities' structure in the A2O bioreactors in the water line, and the AcD and MD in the sludge line with the shifts of the operational/environmental variables of each bioreactor among the experimental phases, which were subsequently correlated with differences in the efficiency of nutrient removal in the water line and methane production in the sludge line. The BIO-ENV and MDS analysis also established robust interlinkages between the REs of 11 PhACs with the shifts of the relative abundances of different families of Bacteria and genera of Archaea in the water line, while robust correlations were also detected among the REs of 6 PhACs and the relative abundances of several bacterial and archaeal groups in the AcD and MD of the sludge line. These interlinkages pointed out their potential involvement in the biodegradation/biotransformation of these xenobiotics' compounds in the wastewater and sludge treatment processes.

[es] Durante las últimas décadas, la producción de aguas residuales ricas en nutrientes con una amplia gama de contaminantes emergentes como son productos de cuidado personal, fragancias sintéticas y especialmente los compuestos farmacéuticamente activos (PhACs) ha aumentado continuamente en todo el mundo debido al crecimiento exponencial de las poblaciones urbanas, al consumo doméstico y al crecimiento de la producción industrial. Hoy en día, las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas (EDARs) convencionales se enfrentan a numerosos problemas a la hora de cumplir los estándares más estrictos en términos de vertido de nutrientes y eliminación de contaminantes emergentes. En este sentido, el aumento de la eutrofización de las aguas superficiales receptoras, así como la presencia continua de contaminantes orgánicos (p.ej., PhACs) en las aguas residuales tratadas y fangos digeridos, son temas de creciente preocupación en todo el mundo. Además, varios estudios han demostrado que los PhACs pueden acumularse en el suelo, las aguas subterráneas y las porciones comestibles de las plantas regadas con aguas residuales tratadas, lo que representa para el ser humano una importante exposición a los PhACs con posibles implicaciones para la salud. Para dar solución a estos problemas, en la presente Tesis Doctoral se ha estudiado la presencia, el destino y la eficiencia de eliminación (RE) de 27 PhACs en una planta de tratamiento de aguas residuales a escala piloto operada con procesos convencionales y avanzados en diferentes fases experimentales. Esta investigación se planteó desde un punto de vista multidisciplinar, en busca de vínculos entre la eficacia de la remoción de los PhACs, el rendimiento de sistemas de tratamiento, los parámetros de operación, y la estructura de las comunidades microbianas en la biomasa, tanto en la línea de agua como en la línea de fangos de la planta piloto. La planta piloto utilizada es una copia a escala (1:25.000) de la EDAR Murcia Este (Murcia, España) que trata hasta 6 m3d-1 de las aguas residuales procedentes de esta depuradora. La investigación se dividió en tres períodos experimentales (Fase I, II y III) en la línea de aguas. En las Fases I y II se operó durante 208 días con un sistema convencional de eliminación biológica de nutrientes en configuración A2O (anaeróbico/anóxico/aeróbico), y con diferentes parámetros operacionales entre fases; mientras que en la Fase III, el biorreactor A2O se transformó en un biorreactor híbrido de lecho móvil (sistema IFAS "Integrated Fixed-Film Activated Sludge") rellenando el 50% de la cámara aeróbica con el soporte plástico AnoxKaldnes K5. En la línea de fangos, el fango primario y secundario producido por la línea de aguas fue espesado y tratado por dos digestores en serie usando el sistema no convencional de digestión anaeróbica bifásica (MAD). La digestión bifásica fue operada durante dos fases experimentales (Fase I y II) con una duración de 104 días cada una, utilizando dos conjuntos diferentes de tiempos de retención hidráulico (TRH) para los digestores acidogénicos (AcD) y metanogénicos (MD) (Fase I, 2 y 12 días; y Fase II, 5 y 24 días, en AcD y MD, respectivamente). Se realizaron análisis qPCR y de secuenciación masiva (Illumina MiSeq) para cuantificar e investigar la estructura, diversidad y dinámica de poblaciones de las comunidades de bacterias, arqueas y hongos en el fango activado del biorreactor A2O y el fango digerido del AcD y MD. Se utilizaron análisis multivariantes y coeficientes de correlación de Spearman en busca de vínculos significativos entre las REs de los PhACs seleccionados, las abundancias de los grupos microbianos en el biorreactor y los digestores, y los cambios de las variables ambientales/operativas de los biorreactores A2O, A2O-IFAS y los digestores de la AcD y MD. En la línea de agua, los resultados mostraron que el sistema A2O mejoró las REs de materia orgánica, nutrientes y 5 PhACs cuando se operó con mayor concentración de biomasa (MLSS) y menor F/M ratio, en la Fase II; en consecuencia, se encontraron correlaciones positivas entre las REs de estos PhACs y varias variables operativas/ambientales (MLSS, F/M ratio, concentración del influente N-NH4 + y tasa de eliminación de nitrógeno total). Sin embargo, cuando el biorreactor operó con el sistema A2O-IFAS en la Fase III, las REs de materia orgánica, nutrientes y de 8 y 5 PhACs mejoraron significativamente en comparación con el sistema convencional A2O (Fase I y II, respectivamente). Además, estas mejoras de rendimiento del sistema A2O-IFAS se produjeron con un menor coste operativo. En la línea de fangos, se encontraron los rangos de TRHs óptimos para la digestión bifásica en función de la producción de ácidos grasos volátiles (VFA) y metano en ambos digestores; este hecho fue corroborado por las fuertes interrelaciones encontradas entre las variables operacionales y de rendimientos, y la abundancia relativa de grupos de bacterias y arqueas. Finalmente, la extensión del TRH de 12 días (Fase I) a 24 días (Fase II) en la DM se vinculó significativamente con una mejor eliminación de 7 PhACs. Los gráficos de escalado multidimensional no métrico (MDS) y el análisis de biotaambiente (BIO-ENV) revelaron fuertes correlaciones entre la estructura de las comunidades de bacterias y arqueas del biorreactor A2O de la línea de aguas, y los digestores AcD y MD de la línea fangos, con los cambios de las variables operacionales/ambientales de cada biorreactor entre las fases experimentales, que posteriormente se correlacionaron con diferencias en las tasas de eliminación de nutrientes en la línea de aguas y tasas de producción de biogás en la línea de fangos. El análisis BIO-ENV y MDS también estableció sólidas interconexiones entre los REs de 11 PhACs con los cambios de las abundancias relativas de diferentes familias de bacterias y géneros de arqueas en la línea de aguas. Del mismo modo, se detectaron correlaciones sólidas entre los REs de 6 PhACs y las abundancias relativas de varios grupos de bacterias y arqueas en los AcD y MD de la línea de fangos. Estas interrelaciones señalaron su potencial relación con los procesos de biodegradación/biotransformación de estos compuestos xenobióticos en los sistemas de tratamiento de fangos y aguas residuales urbanas.