[en] The present work focuses on the integration of novel processes for the biological removal of Nitrogen (N) and Sulphur (S), specifically the anammox process and the sulphide-based autotrophic denitrification. In the recent years, partial denitrification (PD), i.e. the reduction of nitrate to the stage of nitrite typically over the oxidation of an organic electron donor, has emerged as a possible innovative process to act in synergy with anammox, as an alternative to partial nitritation whose long-term stability is reported to be critical in many applications. In case of sulphide-driven denitrification, partial autotrophic denitrification (PAD) is another valuable alternative. The novel integration of PAD with the anammox process (PAD/A) is of particular interest for the treatments of wastewaters highly rich in nitrogen and sulphur compounds, such as those derived from petroleum refineries, tanneries and fish processing. In the perspective of PAD/A implementation, S-driven denitrification should be operated in such a way to convert nitrate to nitrite only, in order to provide the nitrite supply required by the anammox biomass. Besides, biogas desulphurization could be accomplished in the same unit, as a sustainable alternative to the typically adopted chemical-physical treatments. Within this framework, the present thesis aimed at gaining insight on the application of the novel PAD/A process, in high-strength wastewaters. The anammox and the PAD process have been studied in parallel lines of work, addressing different issues related to the two innovative treatments. Industrial wastewater originated from vegetable tannery industry was selected as target stream for PAD/A implementation and the potential inhibitory drawbacks on the anammox granular biomass were studied. A fast start-up of an anammox gas-lift reactor was achieved with volumetric loads up to 0,48 gN-NO2-/l/d. Mineral precipitation on the granules' surface was observed after 130 days of operation. An extensive study was conducted in order to characterise precipitate composition as well as its impact on reactor performance, biomass activity and microbial population. The possible inhibitory effect of bio-refractory compounds and high salinity of vegetable tannery wastewater was assessed through batch test experiments. The outcomes revealed that no evident inhibition could be ascribed to the organic tannins-related fraction of the industrial matrix, whereas a moderate disturbance was observed for the salinity content, that can be addressed through proper biomass acclimation. Thereby, it is concluded that there is no technical limitation for the application of anammox process on vegetable tannery wastewaters. The PAD process was studied in a CSTR reactor fed by nitrate and sulphide. The work aimed at evaluating the effect of influent S/N ratios and SRT conditions on nitrite accumulation. Successful nitrite accumulation was observed after one week of stable and strict S-limiting condition and maintained throughout the experimental work. Nitrite accumulation efficiency of 70-100% and nitrite conversion efficiency of 70% were observed at all the experimental phases, calculated over the converted and influent nitrate, respectively. A clear microbial population shift was observed: Sulfurimonas showing 90% relative abundance in the seeding sludge was almost completely out-competed by Thiobacillus, after 80 days of operation. It is speculated that microbial bioenergetics is a possible underlying reason of the clear population shift. A thermodynamic-based study was conducted in order to study the catabolic change observed in the experimental work, i.e. from full denitrification to partial denitrification (denitratation). Results indicate that even though denitritation is a highly favourable reaction, the sole denitratation could be a valuable energetic response in case of electron donor limitation. Aggregated information on process catabolic stoichiometry are presented as support tool for process design and optimization of the complex S-based denitrification.

[es] El presente trabajo se centra en la integración de procesos novedosos para la remoción biológica de Nitrógeno y Azufre, específicamente en el proceso de anammox y la desnitrificación autotrófica a base de sulfuros. La desnitrificación parcial ha surgido como proceso innovador para actuar en sinergia con el anammox, como una alternativa a la nitritación parcial. En el caso de la desnitrificación impulsada por sulfuros, la desnitrificación autotrófica parcial (PAD) es otra alternativa valiosa. La integración de la PAD con el proceso anammox (PAD/A) es de especial interés para los tratamientos de aguas residuales ricas en compuestos de nitrogeno y azufre, como las derivadas de refinerías de petróleo, curtiembres y procesamiento de pescado. En el proceso PAD/A, la desnitrificación autotrófica debe operarse de manera que convierta el nitrato en nitrito, para proporcionar el nitrito requerido por el anammox; la desulfuración del biogás podría lograrse en la misma unidad, como alternativa sostenible a los tratamientos físico-químicos convencionales. En este marco, la presente tesis tuvo como objetivo profundizar en la aplicación del novedoso proceso PAD/A, en aguas residuales de alta carga en nitrogno y azufre. El anammox y la PAD se han estudiado en líneas de trabajo paralelas, abordando diferentes cuestiones relacionadas con los dos tratamientos innovadores. Las aguas residuales de curtiembres se seleccionaron como target para el PAD/A y se estudió la inhibición de la biomasa anammox. Se logró una rápida puesta en marcha de un reactor gas-lift anammox con cargas volumétricas hasta 0,48 gN-NO2-/l/d. Se observó la precipitación mineral en los gránulos después de 130 días de operación. Se realizó un estudio extenso para caracterizar la composición del precipitado, así como su impacto en el rendimiento del reactor, la actividad de la biomasa y la población microbiana. Los resultados ofrecen conocimientos útiles para la estabilidad a largo plazo de sistemas granulares anammox. El posible efecto inhibidor de los compuestos biorrefractarios y la salinidad de las aguas residuales de curtiembres se evaluó mediante experimentos en batch. Los resultados revelaron que no se pudo atribuir una inhibición evidente a los compuestos biorefractarios, mientras que se observó una influencia moderada debida al contenido de salinidad, que se puede abordar mediante una adecuada aclimatación de la biomasa. Se concluye que no existe ninguna limitación técnica para la aplicación del proceso anammox en las aguas residuales de curtiembres. El PAD se estudió en un reactor CSTR, alimentado con nitrato y sulfuro. El trabajo evaluó el efecto de los ratios S/N del influente y las condiciones de SRT sobre el rendimiento de la acumulación de nitritos. Se observó una acumulación exitosa de nitrito después de una semana de condición estable de limitación de S y se alcanzaron altos niveles de nitrito durante todo el trabajo experimental. En todas las fases experimentales se observó una eficiencia de acumulación de nitrito del 70-100%. Se observó un claro cambio de población microbiana: el género Sulphurimonas mostró una abundancia relativa del 90% en el inóculo y fue superado casi por completo por el genero Thiobacillus, después de 80 días de operación. Se especula que la eficiencia bioenergética microbiana es una posible razón subyacente del cambio de población. Se realizó un estudio de termodinámica para estudiar el cambio catabólico observado. Los resultados indican que a pesar de que la desnitritación es una reacción muy favorable, la desnitratación podría ser una respuesta energética valiosa en caso de limitación del donador de electrones. La estequiometría catabólica del proceso se presenta de forma agregada como herramienta de apoyo para el diseño y la optimización del complejo proceso de desnitrificación autrotrófica, ya que ofrece todas las reacciones intermedias y las posibles combinaciones de e-donador y e-aceptor.