Hybrid systems for wastewater treatment in the framework of circular economy : coupling biological and membrane technologies for a sustainable water cycle
Authors:   , Ribera Pi Judit 
Published: July 2023

The increasing water demand coupled to the depletion of natural water sources has raised the need to investigate and develop in wastewater treatment and reuse. Even more, the application of circular economy principies to water cycle has highlighted the need to see wastewater as a source of water and resources. Therefore, hybridization of already developed technologies can help achieve circular economy goals. Moreover, these hybrid systems that take the best of each technology are capable to gain to the limitations of current conventional treatments. Thus, in this thesis, different hybrid systems have been developed and tested (at bench and pilot scales) for wastewater treatment, both urban and industrial.
On one hand, three upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors with different configurations: flocculent biomass, flocculent
biomass and membrane solids separation and granular biomass and membrane solids separation (UASB-AnMBR), were operated to compare start-up, solids hydrolysis and effluent quality. The challenges of this work were both the low temperature and the low COD content. A really quick start-up was observed for the three reactors and was attributed to the previous acclimation of the seed sludge. The UASB configurations with membrane retained the solids in the reactor increasing solids hydrolysis efficiency. Moreover, flocculent biomass promoted slightly higher hydrolysis than granular one. Therefore, a configuration based on flocculent UASB-AnMBR was appropriate for the treatment of urban wastewater with low COD content at 10°C.	'
On the other hand, a single-stage AnMBR for the treatment of cheese whey and its co-digestion with cattle slurry was investigated with the aim of potentially recovering water and energy. High COD removal (91% ± 7%) was achieved with a biogas production of 0.2-0.9 m3 biogas/kg COD removed. Therefore, high energy recovery could be obtained when using this process with a mean value of 2.4 kWh/kg COD removed. Although energy recovery was directly validated, severallimitations were detected regarding water reuse. Those limitations comprised high salt concentration in the permeate, which should be removed prior to its reuse.
Moreover, petrochemical wastewater pre-treatment was optimised with the final objective of water recycling. lt consisted in a coagulation-flocculation (CF) step followed by a moving bed biofilm reactor (MBBR) aimed to decrease suspended solids (SS) and organic content. In this case, only the first part of the hybrid system was optimised, membrane units were not included in this work. CF tests showed a decrease in wastewater turbidity but no significant DOC removal. Wastewater was then treated by MBBR. In MBBR, high sCOD removal efficiency (80-90%) was maintained. The MBBR proved to be also effective when treating raw wastewater as well as when feed wastewater effluent proportions were changed. The obtained results showed that MBBR was a suitable technology for petrochemical wastewater pre-treatment.
Finally, a novel treatment strategy for landfillleachate aimed to decrease its environmental impact was studied. The system consisted in a membrane bioreactor (MBR) pre-treatment aimed to remove COD, N and SS. lt was followed by a combined reverse osmosis-electrodialysis reversa! (RO-EDR) treatment aimed to remove salts and decrease brine volume. MBR decreased inorganic carbon by 92 ± 8% and achieved N removal of 85%. RO achieved a recovery of 84% and rejections of above 95%. EDR unit treating RO brine achieved a recovery of 67%. Thus, average recovery of the whole system was above 90%. lt is important to highlight that end-of-life RO regenerated membranes were used in this study. This fact, together with the low volume of brine (<10%) helped decrease the environmental impact of leachate treatment.
Hence, this thesis was conducted from an applied research approach, aimed to reduce the gap between basic technology development and industrial implementation.
La creixent demanda d'aigua i l'esgotament de les fonts naturals ha generat la necessitat d'investigar i desenvolupar nous tractaments d'aigua així com la seva reutilització. L'aplicació dels principis de l'economia circular al cicle de l'aigua ha posat de manifest la necessitat de percebre les aigües residuals com a font d'aigua i recursos. Així dones, la hibridació de tecnologies ja desenvolupades pot ajudar a complir els objectius de l'economia circular. A més, aquests sistemes híbrids són capaços de superar les limitacions deis tractaments convencionals. Així dones , en aquesta tesi, s'han desenvolupat i provat diferents sistemes híbrids (a escala de banc de proves i pilot) per al tractament d'aigües residuals urbanes i industrials. D'una banda, s'han operat tres configuracions de reactors UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) per comparar la posada en marxa, la hidrólisi dels sòlids i qualitat de l'efluent. Aquestes configuracions eren: biomassa flocular, biomassa flocular amb separació per membrana i biomassa granular amb separació per membrana (UASB-AnMBR). Els reptes d'aquest treball han estat tant la baixa temperatura com el baix contingut en DQO. La posada en marxa ha estat molt ràpida per als tres reactors, atribuïda a l'aclimatació prèvia dels fangs . Els resultats mostren que una configuració basada en UASB-AnMBR amb biomassa flocular ha estat adequada peral tractament d'aigües residuals urbanes amb baix contingut en DQO a 10°C. D'altra banda, s'ha investigat un AnMBR per al tractament de xerigot i la seva codigestió amb purí amb l'objectiu de recuperar aigua i energia . S'ha aconseguit una elevada eliminació de DQO (91% ± 7%) amb una producció de biogàs de 0,2 a 0,9 m3 de biogàs/kg de DQO eliminada. Per tant, es calcula que es podria obtenir una elevada recuperació d'energia amb un valor mitja de 2,4 kW/kg de DQO eliminada. Tot i que s'ha validat directament la recuperació d'energia, s'han detectat diverses limitacions en relació amb la reutilització de l'aigua. Aquestes limitacions inclouen una elevada concentració de sal en el permeat, que caldria eliminar abans de la seva reutilització. A més, s'ha optimitzat el pretractament pera aigües residuals petroquímiques amb l'objectiu de reciclar l'aigua. Aquest ha consistit en una coagulació-floculació (CF) seguida d'un MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) per tal de disminuir els sòlids en suspensió (SS) i el contingut orgànic. En aquest cas, només s'ha optimitzat la primera part del sistema híbrid ja que no s'han inclòs les etapes de membrana en aquest treball. Les proves de CF han mostrat una disminució de la terbolesa de les aigües residuals sense eliminació significativa de DQO. Aquest efluent s'ha tractat per MBBR. A I'MBBR s'ha mantingut una elevada eficiència d'eliminació de DQOs (80-90%). Els resultats obtinguts mostren que el MBBR és una tecnologia adequada per al pretractament de les aigües residuals petroquímiques. Finalment, s'ha estudiat una nova estratègia de tractament de lixiviats d'abocador per disminuir el seu impacte ambiental. El sistema s'ha basat en un pretractament amb bioreactor de membrana (MBR) pera l'eliminació de DQO, Ni SS seguit d'un tractament combinat d'osmosi inversa-electrodiàlisi reversible (01-EDR) pera l'eliminació de sals i disminució el volum de salmorra . L'MBR ha disminuït el carboni inorgànic en un 92 ± 8% i ha aconseguit una eliminació de N del 85%. Gracies a les etapes d'OI i EDR, la recuperació mitjana de tot el sistema ha superat el 90%. És important destacar que en aquest estudi s'han utilitzat membranes regenerades d'OI al final de la seva vida útil. Aquest fet, juntament amb el baix volum de salmorra {<10%) ha contribuït a disminuir !'impacte ambiental del tractament de lixiviats. Per tant, aquesta tesi s'ha dut a terme des d'un enfoc de recerca aplicada, amb l'objectiu de reduir la bretxa entre el desenvolupament tecnològic basic i la implementació industrial