Anaerobic Removal of Trace Organic Contaminants in Sewage Sludge: 15 Years of Experience

Trace organic contaminants (TOCs) correspond to a broad range of molecules generated either directly or indirectly by human activity. Even though TOCs are found at low concentrations in the environment, they often accumulate by biomagnification and bioaccumulation into biological organisms and cause irreversible damages in biological systems through direct or indirect toxic effects such as endocrine disruption and tumour initiation. This manuscript presents the main findings of over fifteen years of research focusing on biological removal of various TOCs found in sewage sludge from urban treatment plants. A special focus of the research was made on microbial processes in complex anaerobic ecosystems. Four families of compounds mostly retrieved in urban plants were studied: the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), the polychlorobiphenyls (PCBs), the phthalic acid esters (PAEs), and the nonylphenol ethoxylates (NPEs). It was observed that the microbial capability for removing low amounts of TOCs required a long adaptation time and was often limited by the bioavailability of these compounds. In fact, the overall biodegradation resulted from the numerous interactions existing between the matrix (organic matter) and the microbial ecosystems according to the physico-chemical sorption properties of these compounds. Mechanistic aspects were also tackled in depth and specific models were developed for better understanding the network of interactions between TOCs, microorganisms, and organic matter. These findings could be extrapolated to other ecosystems such as soils and sediments. Finally, it was shown that microbial cometabolism was essential for TOC removal, and the concept of bioavailability was not only dependent on the nature, the level, and the sorption properties of TOCs but was also strongly dependent on the nature and the concentration of the sludge organic matter. Specific parameters were proposed for better evaluating the fate of TOCs in microbial anaerobic processes and technological solutions for efficient removal of these compounds were also proposed

Modeling the fate of micro ollutant organics during anaerobic digestion of contaminated sewage sludge

Beaucoup de micropolluants organiques sont présents dans les boues. Leur possible impact sur l'environnement contribue à accroître leur intérêt scientifique et social. La digestion anaérobie présente un potentiel certain pour dégrader ces composés. Dans ce travail, il a été développé un modèle dynamique pour décrire le devenir de micropolluants hydrophobes au cours de la digestion anaérobie de boues contaminées. Le modèle est basé sur une distribution des composés dans quatre-compartiments et il a démontré que la transformation des micropolluants est bien simulée si l'on considère une cinétique de co-métabolisme pour la dégradation et si la phase aqueuse constitue le compartiment biodisponible. Dans ce modèle, la sorption des micropolluants hydrophobes est envisagée sur deux phases différentes: la matière particulaire et la matière dissoute/colloïdale (DCM), car la sorption sur le compartiment DCM peut influencer la disponibilité des composés et donc leur biodégradation. Il a été conclu que le transfert de micropolluants hydrophobe ne limite pas leur biodégradation, et que leur devenir est régi par l'état d'équilibre de sorption-désorption. Afin d'identifier quelle(s) étape(s) de la digestion permet le co-métabolisme, de nouvelles expérimentations ont été menées en utilisant des inhibiteurs des Méthanogènes. Elles suggèrent que la dégradation anaérobie des micropolluants implique principalement des microorganismes non-méthanogènes. En effet, la transformation co-métabolique des micropolluants serait principalement liée à la population acidogènes, comme le montre le modèle avancé proposé. Le modèle proposé est potentiellement utile pour mieux comprendre la distribution des micropolluants, prédire leur devenir dans des conditions anaérobies et aider à optimiser le processus de fonctionnement pour leur épuisement.Many organic micropollutants are present in sludge. Their possible impact on the environment contributes to their increasing scientific and social interest. Anaerobic digestion has been shown as a potential biological process for removing these compounds. In this work, a dynamical fate model is developed for hydrophobic micropollutant under anaerobic digestion of contaminated sludge. The model is based on a four-compartment distribution and demonstrated that the micropollutant transformation is well simulated if considering a co-metabolic kinetic and the aqueous phase as the bioavailable compartment. In this model, the sorption of hydrophobic micropollutants is considered on two different phases: particulate matter and dissolved/colloidal matter (DCM). Indeed, the sorption onto DCM can influence the availability of compounds for biodegradation. It was concluded that hydrophobic micropollutant transfer does not limit their biodegradation, and that their fate is governed by sorption-desorption equilibrium state. In order to evaluate which step of the anaerobic pathway is implied in the co-metabolism of micropollutants, experimental set-ups were designed using different way to inhibit the Methanogens. The experimental inhibition of methanogenic activity suggests that the anaerobic degradation of micropollutants mainly involves non-methanogenic microorganisms. Indeed, the co-metabolic transformation of micropollutants would be mainly linked to acidogens population as it was shown through the proposed advanced model. This latter is potentially useful to better understand the micropollutant distribution, predict their fate under anaerobic condition and help to optimize the operation process for their depletion

Modélisation du devenir des micropolluants organiques au cours de la digestion anaérobie de boues contaminées

Thèse soutenue le 2 décembre 2011 Diplôme : Dr. d'UniversitéMany organic micropollutants are present in sludge. Their possible impact on the environment contributes to their increasing scientific and social interests. Anaerobic digestion has been shown as a potential biological process for removing these compounds. In this work, a dynamical fate model is developed for hydrophobic micropollutant under anaerobic digestion of contaminated sludge. The model is based on a four-compartment distribution and demonstrated that the micropollutant transformation is well simulated if considering a co-metabolic kinetic and the aqueous phase as the bioavailable compartment. In this model, the sorption of hydrophobic micropollutants is considered on two different phases: particulate matter and dissolved/colloidal matter (DCM). Indeed, the sorption onto DCM can influence the availability of compounds for biodegradation. It was concluded that hydrophobic micropollutant transfer does not limit their biodegradation, and that their fate is governed by sorption-desorption equilibrium state. In order to evaluate which step of the anaerobic pathway is implied in the co-metabolism of micropollutants, experimental set-ups were designed using different way to inhibit the Methanogens. The experimental inhibition of methanogenic activity suggests that the anaerobic degradation of micropollutants mainly involves non-methanogenic microorganisms. Indeed, the co-metabolic transformation of micropollutants would be mainly linked to the acidogenic population as it was shown through the proposed advanced model. This latter is potentially useful to better understand the micropollutant distribution, predict their fate under anaerobic condition and help to optimize the operation process for their depletion.Beaucoup de micropolluants organiques sont présents dans les boues. Leur possible impact sur l'environnement contribue à accroître leur intérêt scientifique et social. La digestion anaérobie présente un potentiel certain pour dégrader ces composés. Dans ce travail, il a été développé un modèle dynamique pour décrire le devenir de micropolluants hydrophobes au cours de la digestion anaérobie de boues contaminées. Le modèle est basé sur une distribution des composés dans quatrecompartiments et il a démontré que la transformation des micropolluants est bien simulée si l’on considère une cinétique de co-métabolisme pour la dégradation et si la phase aqueuse constitue le compartiment biodisponible. Dans ce modèle, la sorption des micropolluants hydrophobes est envisagée sur deux phases différentes: la matière particulaire et la matière dissoute/colloïdale (DCM), car la sorption sur le compartiment DCM peut influencer la disponibilité des composés et donc leur biodégradation. Il a été conclu que le transfert de micropolluants hydrophobes ne limite pas leur biodégradation, et que leur devenir est régi par l'état d'équilibre de sorption-désorption. Afin d’identifier quelle(s) étape(s) de la digestion permet le co-métabolisme, de nouvelles expérimentations ont été menées en utilisant des inhibiteurs des Méthanogènes. Elles suggèrent que la dégradation anaérobie des micropolluants implique principalement des microorganismes non-méthanogènes. En effet, la transformation co-métabolique des micropolluants serait principalement liée à la population acidogène, comme le montre le modèle avancé proposé. Le modèle proposé est potentiellement utile pour mieux comprendre la distribution des micropolluants, prédire leur devenir dans des conditions anaérobies et aider à optimiser le processus de fonctionnement pour leur abattement

Control del flujo de metano en el tratamiento de aguas residuales industriales usando lógica fuzzy

En este trabajo presentamos una ley de control diseñada y validada usando lógica difusa para el tratamiento de aguas residuales vinícolas por digestión anaerobia. El flujo de metano fue controlado manipulando la entrada de agua residual a la planta, teniendo diferentes concentraciones de materia orgánica en la entrada (gramos de demanda química de oxígeno por litro. g DQO/l) y con diferentes requerimientos de control, como la variación del set point del flujo de metano (32 – 60 l/h). La validación del controlador fue realizada durante 16 días de tratamiento, y mostró en su resultado una adecuada acción de con¬trol cuando el flujo de metano se usó como variable de control. El resultado demuestra que es posible controlar el proceso de digestión anaerobia de aguas residuales manteniendo el tratamiento en condiciones estables con una aplicación simple de lógica difusa, suficientemente probada en simulaciones usando para ello el modelo ADM1, de lo que se tuvo una buena respuesta en el proceso real

Modélisation du devenir des micropolluants organiques au cours de la digestion anaérobie de boues contaminées

Beaucoup de micropolluants organiques sont présents dans les boues. Leur possible impact sur l'environnement contribue à accroître leur intérêt scientifique et social. La digestion anaérobie présente un potentiel certain pour dégrader ces composés. Dans ce travail, il a été développé un modèle dynamique pour décrire le devenir de micropolluants hydrophobes au cours de la digestion anaérobie de boues contaminées. Le modèle est basé sur une distribution des composés dans quatre-compartiments et il a démontré que la transformation des micropolluants est bien simulée si l'on considère une cinétique de co-métabolisme pour la dégradation et si la phase aqueuse constitue le compartiment biodisponible. Dans ce modèle, la sorption des micropolluants hydrophobes est envisagée sur deux phases différentes: la matière particulaire et la matière dissoute/colloïdale (DCM), car la sorption sur le compartiment DCM peut influencer la disponibilité des composés et donc leur biodégradation. Il a été conclu que le transfert de micropolluants hydrophobe ne limite pas leur biodégradation, et que leur devenir est régi par l'état d'équilibre de sorption-désorption. Afin d'identifier quelle(s) étape(s) de la digestion permet le co-métabolisme, de nouvelles expérimentations ont été menées en utilisant des inhibiteurs des Méthanogènes. Elles suggèrent que la dégradation anaérobie des micropolluants implique principalement des microorganismes non-méthanogènes. En effet, la transformation co-métabolique des micropolluants serait principalement liée à la population acidogènes, comme le montre le modèle avancé proposé. Le modèle proposé est potentiellement utile pour mieux comprendre la distribution des micropolluants, prédire leur devenir dans des conditions anaérobies et aider à optimiser le processus de fonctionnement pour leur épuisement.Many organic micropollutants are present in sludge. Their possible impact on the environment contributes to their increasing scientific and social interest. Anaerobic digestion has been shown as a potential biological process for removing these compounds. In this work, a dynamical fate model is developed for hydrophobic micropollutant under anaerobic digestion of contaminated sludge. The model is based on a four-compartment distribution and demonstrated that the micropollutant transformation is well simulated if considering a co-metabolic kinetic and the aqueous phase as the bioavailable compartment. In this model, the sorption of hydrophobic micropollutants is considered on two different phases: particulate matter and dissolved/colloidal matter (DCM). Indeed, the sorption onto DCM can influence the availability of compounds for biodegradation. It was concluded that hydrophobic micropollutant transfer does not limit their biodegradation, and that their fate is governed by sorption-desorption equilibrium state. In order to evaluate which step of the anaerobic pathway is implied in the co-metabolism of micropollutants, experimental set-ups were designed using different way to inhibit the Methanogens. The experimental inhibition of methanogenic activity suggests that the anaerobic degradation of micropollutants mainly involves non-methanogenic microorganisms. Indeed, the co-metabolic transformation of micropollutants would be mainly linked to acidogens population as it was shown through the proposed advanced model. This latter is potentially useful to better understand the micropollutant distribution, predict their fate under anaerobic condition and help to optimize the operation process for their depletion.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Nitrogen and phosphate removal from wastewater with a mixed microalgae and bacteria culture

International audienceMicroalgae are able to convert nutrients (nitrogen and phosphorus) from wastewater into biomass and bio-products, thus improving the sustainability of wastewater treatment. In High Rate Algal Ponds (HRAP), biomass productivity and water treatment efficiency are highly dependent on environmental parameters such as temperature, light intensity and photoperiod. The influence of temperature and photoperiod on biomass productivity and the removal of dissolved nitrogen and phosphorus from municipal wastewater by a native microalgae-bacteria consortium was assessed in batch cultures in view of the development of an HRAP at a larger scale. Temperature affected the growth rate and microalgae biomass production as well as ammonium and phosphate removal rates. At the temperatures 15 and 25 °C, the average total nitrogen and phosphorus removal extents ranged from 72 to 83% and 100% respectively. Additionally 33.0 ± 0.1% of the total nitrogen was eliminated by stripping at 25 °C, and 50 ± 2% was assimilated by the microorganisms under all conditions tested