Efficiency of fluvial biofilms on urban wastewater treatment in small facilities

Abstract

This thesis addresses the challenges faced by small urban wastewater treatment plants (UWWTPs; <10,000 population equivalents) under the revised Urban Wastewater Treatment Directive (2024/3019/EU), particularly those discharging into low-order, potentially intermittent streams increasingly affected by climate change. By assessing the self-depuration capacity of these freshwater receiving ecosystems and evaluating the performance of biofilms and planktonic microbial communities from laboratory experiments to a real-scale approach in a small UWWTP, this thesis proposes a nature-based solution (NBS) as an alternative tertiary treatment: the biofilm-plankton reactor (BPR). The BPR achieved high removal efficiencies for nitrogen (particularly ammonium), phosphorus under laboratory conditions, Escherichia coli (considered as a faecal indicator), antimicrobial resistance determinants, and specific contaminants of emerging concern, while requiring less surface area and shorter hydraulic retention times than constructed wetlands. Overall, the BPR emerges as a cost-effective and sustainable NBS to enhance wastewater treatment performance and protect vulnerable aquatic ecosystems.

Aquesta tesi aborda els reptes de les petites estacions depuradores d’aigües residuals urbanes (EDAR; < 10.000 habitants equivalents) en el marc de la Directiva sobre el tractament de les aigües residuals urbanes (2024/3019/EU), especialment aquelles que aboquen a cursos fluvials de baix ordre, potencialment intermitents i afectats pel canvi climàtic. A partir de l’avaluació de la capacitat d’autodepuració d’aquests sistemes receptors i de l’anàlisi dels biofilms i comunitats microbianes planctòniques, des del laboratori fins a escala real en una petita EDAR, es proposa una solució basada en la natura (NBS) com a tractament terciari alternatiu: el reactor biofilm-plàncton (BPR). Aquest sistema va assolir elevades eficiències d’eliminació de nitrogen, fòsfor (a escala de laboratori), Escherichia coli, resistència antimicrobiana, i contaminants emergents, amb menor superfície i temps de retenció que els aiguamolls artificials. El BPR es presenta com una NBS rendible i sostenible per millorar aquests tractaments i protegir els ecosistemes aquàtics.