Process development for hospital wastewater treatment by Trametes versicolor Josep Anton Mir

199 Pages·2017·3.95 MB·English

ADVERTIMENT. Lʼaccés als continguts dʼaquesta tesi queda condicionat a lʼacceptació de les condicions dʼús
establertesperlasegüentllicènciaCreativeCommons: http://cat.creativecommons.org/?page_id=184
ADVERTENCIA.Elaccesoaloscontenidosdeestatesisquedacondicionadoalaaceptacióndelascondicionesdeuso
establecidasporlasiguientelicenciaCreativeCommons: http://es.creativecommons.org/blog/licencias/
WARNING.Theaccesstothecontentsofthisdoctoralthesisitislimitedtotheacceptanceoftheuseconditionsset
bythefollowingCreativeCommonslicense: https://creativecommons.org/licenses/?lang=en
UNIVERSITAT AUTÒNOMA DE BARCELONA
DOCTORAL THESIS
PhDinEnvironmentalScienceandTechnology
Departamentd’EnginyeriaQuímica,BiològicaiAmbiental
Process development for hospital
wastewater treatment by Trametes
versicolor
Josep Anton Mir Tutusaus
supervisedby
Dr.GlòriaCAMINALandDr.MontserratSARRÀ
2017
Title: ProcessdevelopmentforhospitalwastewatertreatmentbyTrametesversicolor
Carriedoutby:JosepAntonMirTutusaus
Supervisedby:GlòriaCaminalSaperasandMontserratSarràAdroguer
PhDprograminEnvironmentalScienceandTechnology
Departamentd’EnginyeriaQuímica,BiològicaiAmbiental
Escolad’Enginyeria
UniversitatAutònomadeBarcelona. Bellaterra,2017.
ThisworkhasbeenfundedbytheSpanishMinistryofEconomyandCompetitiveness
(project CTM2013-48545-C2) and partly supported by the European Union through the
European Regional Development Fund (ERDF) and the Generalitat de Catalunya
(Consolidated Research Groups 2014-SGR-599, 2014-SGR-476 and 2014-SGR-291). The
author acknowledges the predoctoral fellowship from Universitat Autònoma de
BarcelonaandtheresearchstaygrantfromtheUniversitatAutònomadeBarcelona.
Part of this work has been done in collaboration with the Catalan Institute for Water
Research (ICRA) (Girona, Spain) and the group of Environmental Microbiology of the
AutonomousUniversityofBarcelona(UAB).
PartoftheworkpresentedhasbeenperformedinaresearchstayattheSchoolofCivil,
Mining and Environmental Engineering (CME) of the University of Wollongong (UOW)
underthesupervisionofDr. FaisalI.Hai.
ii
iii

Abstract
Micropollutantsareawidegroupoforganiccompoundsthataredetectedat
mostcompartmentsoftheenvironment. Theirenvironmentalconcentration
is usually in the range of few ng·L-1 to μg·L-1, but remain biologically active
even at such low concentrations, may be accumulated through the food
chain and pose a threat to the environment, fauna and human health.
Among micropollutants, pharmaceutical active compounds (PhACs) are of
special concern. It is accepted that the main sources of PhACs to the
environment are effluents from wastewater treatment plants (WWTPs),
whereconventionalactivatedsludgeprocessesarenotabletodegrademost
ofthem. Answeringtotheseconcerns,thescientificcommunityhasdevoted
extensive research into mechanisms to degrade, transform and /or remove
micropollutants from hospital wastewater, where PhACs are present at
higher concentrations. Among the possible treatments, white-rot fungi
(WRF) are regarded as a cost-effective possibility due to their relatively low
costincomparisonwithphysicalandchemicaltreatmentsandtheircapacity
to transform most of the compounds thanks to their versatile enzymatic
machinery. WRF have been studied for the removal of pharmaceuticals in
wastewater, but contamination by wastewater-native microorganisms has
producedveryshort-termreactoroperations.
The present thesis tackles this problem and proposes several strategies to
lengthen the fungal treatment. It also serves as proof of concept of a
long-term white-rot fungal operation treating non-sterile real hospital
wastewater.
Firstofall,severalair-pulsedfluidizedbedbioreactorsweresetupinorderto
studytheeffectoftheadditionofacoagulation-flocculationpretreatment,of
theadditionofaUVpretreatmentandtheeffectofoperatingthereactorsas
asequencingbatchreactor(SBR)orinacontinuousfashiononthelengthof
operation. The chosen alternative was a continuous reactor with a
coagulation-flocculation pretreatment. This treatment train was then
evaluated in a non-spiked hospital wastewater treatment with partial
biomassrestoration,leadingtoatwo-monthoperation.
Additionally, several process variables, namely, pellet size, aeration and
v
carbon-to-nitrogen ratio were studied and the values that led to a longer
operation were selected. Those previous studies enabled for the first time a
long-term operation of a fungal fluidized bed bioreactor treating real
non-sterilewastewater.
The importance of conjugation and deconjugation processes is highlighted
inthisthesis. Conjugatedmicrocontaminantsarenotusuallydetectedbythe
current analytical techniques, thus undervaluing the concentration of the
pollutantstudied. Therefore,aneffortshouldbemadetoanalyzeconjugated
forms of compounds. If successful, it could be a breakthrough that greatly
facilitatesthestudyofremovalofmicropollutantsinrealwastewater.
Molecular biology analyses such as denaturing gradient gel electrophoresis
(DGGE), DNA sequencing and real-time PCR (qPCR) were performed in the
non-spikedexperimentstogiveinsightonthemicrobiologicalcommunities
arisen during the reactor treatment and to confirm the presence of T.
versicolor throughout the operation. Results suggested that the fungus was
activeevenwhennolaccaseactivitywasdetected.
vi
Resum
Elsmicrocontaminantssónunampligrupdecompostosorgànicsques’han
detectat a la majoria de compartiments del medi ambient. La seva
concentracióambientalestàcompresaentrepocsng·L-1 finsaμg·L-1,peròes
mantenenbiològicamentactiusfinsitotaconcentracionstanbaixes,poden
ser acumulats a través de la cadena tròfica i suposen una amenaça per al
medi ambient, la fauna i la salut humana. Entre els microcontaminants, els
fàrmacs (PhACs) generen una especial preocupació. És acceptat que la
principal font d’entrada de fàrmacs al medi ambient és via efluents de les
estacions depuradores d’aigües residuals (WWTP), on els mecanismes
convencionals de llots activats no són suficients per degradar-ne la majoria.
En resposta a aquestes preocupacions, la comunitat científica ha destinat
moltarecercaamètodesperaladegradació,transformaciói/oeliminacióde
microcontaminants d’aigües residuals d’hospital, on els fàrmacs estan
presents a major concentració. D’entre els tractaments possibles, els fongs
de podridura blanca (WRF) es presenten com una possibilitat atractiva
gràcies al seu baix cost en comparació amb tractaments físics i químics i la
seva capacitat de transformar la majoria de compostos gràcies a la seva
versàtil maquinària enzimàtica. Els WRF han estat estudiats per a la
degradació de fàrmacs en aigües residuals, però la contaminació per
microorganismes presents a l’aigua residual ha produït que les operacions
enreactorfossinmoltcurtes.
Aquesta tesi aborda aquest problema i proposa diverses estratègies per
allargar el tractament. També serveix com a prova que una operació
prolongadaambWRFtractantaiguaresiduald’hospitalnoestèriléspossible.
Primer de tot, diversos reactors de llit fluïditzat per polsos d’aire es van
operar per estudiar l’efecte que tenien l’addició d’un pretractament de
coagulació-floculació, l’addició d’un pretractament amb llum UV i l’efecte
de l’operació com a batch seqüencial (SBR) i en continu en la llargada del
tractament. La millor alternativa va ser un reactor en continu amb un
pretractament de coagulació-floculació. Aquest tren de tractament va ser
evaluat en un tractament d’aigua residual d’hospital no dopada amb
renovació parcial de la biomassa, i va permetre una operació de dos mesos
vii
dedurada.
Amés,diversesvariablesdeprocés,asaber,midadelpèl·let,aeracióilaràtio
carboni-nitrogen es van estudiar i els valors que van suposar una operació
més llarga van ser seleccionats. Aquests estudis previs van permetre per
primeravegadaunaoperacióprolongadad’unreactorfúngicdellitfluïditzat
tractantaiguaresiduald’hospitalnoestèril.
Aquesta tesi també remarca la importància dels processos de conjugació i
desconjugació. Les tècniques analítiques actuals no solen detectar els
microcontaminants conjugats, i això impedeix una precisa mesura de la
concentració del contaminant estudiat. Per tant, s’haurien de destinar
esforçosal’anàlisidelesformesconjugadesdecompostos. Sis’aconsegueix,
podria significar un gran avenç que faciliti l’estudi de l’eliminació de
microcontaminantsenaigüesreals.
Les anàlisis de biologia molecular com gel d’electroforesi en gradient
desnaturalitzant (DGGE), seqüenciació d’ADN i PCR quantitativa (qPCR) es
van aplicar els experiments no dopats per donar informació sobre les
comunitats microbiològiques formades durant els tractaments en reactor i
per confirmar la presència de T. versicolor durant l’operació. Els resultats
suggereixenqueelfongesmanteniaactiufinsitotquanl’activitatdel’enzim
lacasanoesdetectava.
viii
Resumen
Losmicrocontaminantessonunampliogrupodecompuestosorgánicosque
se han detectado a la mayoría de compartimentes del medio ambiente. Su
concentración ambiental está entre pocos ng·L-1 hasta μg·L-1, pero se
mantienen biológicamente activos incluso a concentraciones muy bajas,
pueden ser acumulados a través de la red trófica y suponen una amenaza
para el medio ambiente, la fauna y la salud humana. De entre los
microcontaminantes, los fármacos (PhACs) generan una especial
preocupación. Esaceptadoquelaprincipalfuentedeentradadefármacosal
medio ambiente es vía efluentes de las estaciones depuradoras de aguas
residuales (WWTP), dónde los mecanismos convencionales de lodos
activados no son suficientes para degradarlos. En respuesta a estas
preocupaciones, la comunidad científica ha destinado mucha investigación
a métodos para la degradación, transformación y/o eliminación de
microcontaminantes de aguas residuales de hospital, dónde los fármacos
están en mayor concentración. De entre los tratamientos posibles, los
hongos de podredumbre blanca (WRF) se presentan como una posibilidad
atractiva gracias a su bajo coste en comparación con tratamientos físicos y
químicosyasucapacidaddetransformarlamayoríadecompuestosgracias
a su versátil maquinaria enzimática. Los WRF han sido estudiados para la
degradacióndefármacosenaguasresiduales,perolacontaminacióndebida
a microorganismos presentes en las aguas residuales ha producido que las
operacionesenreactorfueranmuycortas.
Esta tesis aborda este problema y propone varias estrategias para alargar el
tratamiento. Tambiénsirvecomopruebaqueunaoperaciónprolongadacon
WRFtratandoaguasresidualesnoestérilesdehospitalesposible.
Primeramente, varios reactores de lecho fluidizado por pulsos de aire se
operaron para estudiar el efecto que tenían la adición de un pretratamiento
de coagulación-floculación, la adición de un pretratamiento con luz UV y el
efecto de la operación como batch secuencial (SBR) y en continuo en la
duración del tratamiento. La mejor alternativa fue un reactor en continuo
conunpretratamientodecoagulación-floculación. Estetrendetratamiento
fue evaluado en un tratamiento de agua residual de hospital no dopada con
ix